СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УГЛОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ИНТЕГРИРУЮЩИМ ПРИВОДОМ Российский патент 2008 года по МПК G05D1/08 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования полета и может быть использовано для управления угловым движением летательных аппаратов.

Известна система управления угловым движением летательного аппарата (Система автоматического управления САУ-23А, серия 2. Назначение, принцип действия, законы управления. Техническое описание 6А2.550.045-4ТО в четырех частях. Часть первая. Редакция 1-77) - [1, с.19], содержащая датчик угла крена γ, датчик угловой скорости относительно продольной оси ω_x, датчик скоростного напора q, задатчик требуемого значения угла крена γ_З, суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с выходом датчика угла крена γ, второй инвертирующий вход соединен с выходом задатчика требуемого значения угла крена γ_З, вычислитель коэффициента пропорциональности μ(q), вход которого соединен с выходом датчика скоростного напора q, а выход - с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости относительно продольной оси ω_x, а выход соединен с третьим входом суммирующего усилителя, выход которого является выходом системы управления угловым движением летательного аппарата.

Использование постоянных значений коэффициентов пропорциональности не позволяет получить оптимальные показатели переходных процессов в широком диапазоне изменений скоростей и высот и при изменении центровки летательного аппарата в процессе движения, поэтому в приведенной системе используется коррекция коэффициентов пропорциональности. Коррекция коэффициентов пропорциональности производится для получения одинаковых показателей переходных процессов по угловым координатам при изменениях значений динамических коэффициентов летательного аппарата при смене режима движения. Коррекция коэффициентов пропорциональности усложняет схему, уменьшает надежность работы системы управления, а в большом диапазоне изменений параметров движения может оказаться нереализуемой с достаточной точностью.

Известна система управления угловым движением летательного аппарата автопилота АП-15Т (Бортовые системы управления полетом. Под общей редакцией Ю.В.Байбородина. - М.: Транспорт, 1975. - 336 с.) - [2, с.254], реализованная согласно системе уравнений

где δ_Н, δ_Э, δ_В - угол отклонения рулевого органа, соответственно руля направления, элеронов, руля высоты, - коэффициенты пропорциональности,

которая содержит каналы рыскания, крена и тангажа, каждый из которых содержит датчик углового положения летательного аппарата, датчик угловой скорости и датчик углового ускорения, которые соответственно являются датчиком угла рыскания ψ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси OY связанной системы координат ω_y, датчиком углового ускорения относительно оси OY связанной системы координат , или датчиком угла крена γ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси ОХ связанной системы координат ω_x, датчиком углового ускорения относительно оси ОХ связанной системы координат , или датчиком угла тангажа ϑ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси OZ связанной системы координат ω_z, датчиком углового ускорения относительно оси OZ связанной системы координат , задатчик требуемого значения углового положения летательного аппарата, соответственно ψ_З, или γ_З или ϑ_З, первый суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с датчиком углового положения летательного аппарата, второй вход соединен с датчиком угловой скорости, третий инвертирующий вход соединен с выходом задатчика требуемого значения углового положения летательного аппарата, четвертый вход соединен с выходом датчика углового ускорения, а выход соединен с входом интегрирующего привода рулевого органа.

Данная система не позволяет получить оптимальные показатели переходных процессов в широком диапазоне изменений скоростей и высот полета, а также и при изменении центровки летательного аппарата в процессе движения вследствие использования постоянных значений коэффициентов пропорциональности.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является обеспечение оптимальных показателей переходных процессов по координатам углового движения летательного аппарата, не требующее коррекции коэффициентов пропорциональности законов управления угловым движением летательного аппарата во всем эксплуатационном диапазоне изменений скоростей и высот полета, а для канала тангажа и при изменении центровки летательного аппарата в процессе движения.

Технический результат достигается тем, что в систему управления угловым движением летательного аппарата с интегрирующим приводом, реализованную согласно системе уравнений

где δ_Н, δ_Э, δ_B - угол отклонения рулевого органа, соответственно руля направления, элеронов, руля высоты, - коэффициенты пропорциональности,

которая содержит каналы рыскания, крена и тангажа, каждый из которых содержит датчик углового положения летательного аппарата, датчик угловой скорости и датчик углового ускорения, которые соответственно являются датчиком угла рыскания ψ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси OY связанной системы координат ω_y, датчиком углового ускорения относительно оси OY связанной системы координат , или датчиком угла крена γ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси ОХ связанной системы координат ω_x, датчиком углового ускорения относительно оси ОХ связанной системы координат , или датчиком угла тангажа ϑ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси OZ связанной системы координат ω_z, датчиком углового ускорения относительно оси OZ связанной системы координат , задатчик требуемого значения углового положения летательного аппарата, соответственно ψ_З, или γ_З, или ϑ_З, первый суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с датчиком углового положения летательного аппарата, второй вход соединен с датчиком угловой скорости, третий инвертирующий вход соединен с выходом задатчика требуемого значения углового положения летательного аппарата, четвертый вход соединен с выходом датчика углового ускорения, а выход соединен с входом интегрирующего привода рулевого органа, дополнительно введен блок задания динамики углового движения, входы которого соединены соответственно с выходами датчика углового положения летательного аппарата, датчика угловой скорости, датчика углового ускорения и задатчика требуемого значения углового положения летательного аппарата, выход соединен с пятым входом первого суммирующего усилителя, содержащий вычислитель, первый и второй входы которого соответственно являются первым и вторым входами блока задания динамики углового движения, реализующий систему уравнений

где a₁₁, a₁₂, b₁, а₂₁, a₂₂, b₂ - постоянные коэффициенты,

ϕ, , η - сигналы соответственно на первом, втором и третьем входах вычислителя,

, - сигналы соответственно на первом и втором выходах вычислителя;

первый интегратор, вход которого соединен с первым выходом вычислителя, второй интегратор, вход которого соединен со вторым выходом вычислителя, сумматор, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора, второй, инвертирующий, вход соединен с выходом фильтра с передаточной функцией

где Т - постоянная времени, р - оператор Лапласа,

вход которого является третьим входом блока задания динамики углового движения,

третий суммирующий усилитель, входы которого соединены соответственно с выходами сумматора, второго интегратора и вторым выходом вычислителя, третий интегратор, вход которого соединен с выходом третьего суммирующего усилителя, а выход с третьим входом вычислителя,

второй суммирующий усилитель, первый и второй, инвертирующие входы которого соединены с выходами первого интегратора и второго интегратора, третий и четвертый входы соединены со вторым и первым входами вычислителя, пятый вход соединен со вторым выходом вычислителя, шестой, инвертирующий, вход является четвертым входом блока задания динамики углового движения, а выход является выходом блока задания динамики углового движения.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-6

Фиг.1 - блок-схема системы управления угловым движением летательного аппарата;

Фиг.2 - блок-схема блока задания динамики углового движения;

Фиг.3 - графики переходных процессов летательного аппарата с системой управления угловым движением летательного аппарата без блока задания динамики углового движения при изменении эффективности рулевого органа;

Фиг.4 - графики переходных процессов летательного аппарата с системой управления угловым движением летательного аппарата с блоком задания динамики углового движения при изменении эффективности рулевого органа;

Фиг.5 - графики переходных процессов летательного аппарата с системой управления угловым движением летательного аппарата без блока задания динамики углового движения при изменении центровки летательного аппарата;

Фиг.6 - графики переходных процессов летательного аппарата с системой управления угловым движением летательного аппарата с блоком задания динамики углового движения при изменении центровки летательного аппарата.

Система управления угловым движением летательного аппарата содержит каналы рыскания, крена и тангажа, каждый из которых содержит:

1 - датчик углового положения летательного аппарата;

2 - датчик угловой скорости;

3 - задатчик требуемого значения углового положения летательного аппарата;

4 - датчик углового ускорения;

5 - первый суммирующий усилитель;

6 - интегрирующий привод рулевого органа;

7 - блок задания динамики углового движения.

Приняты следующие обозначения:

ϕ - угол на выходе датчика углового положения летательного аппарата 1;

- угловая скорость на выходе датчика угловой скорости 2;

- угловое ускорение на выходе датчика углового ускорения 4;

ϕ_З - требуемое значение угла;

U_доп - дополнительный сигнал управления.

Система управления угловым движением летательного аппарата содержит каналы рыскания, крена и тангажа, каждый из которых содержит датчик углового положения летательного аппарата 1, датчик угловой скорости 2 и датчик углового ускорения 4, которые соответственно являются датчиком угла рыскания ψ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси OY связанной системы координат ω_y, датчиком углового ускорения относительно оси OY связанной системы координат , или датчиком угла крена γ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси ОХ связанной системы координат ω_x, датчиком углового ускорения относительно оси ОХ связанной системы координат , или датчиком угла тангажа ϑ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси OZ связанной системы координат ω_z, датчиком углового ускорения относительно оси OZ связанной системы координат , задатчик требуемого значения углового положения летательного аппарата 3, соответственно ψ_З, или γ_З, или ϑ_З, первый суммирующий усилитель 5, первый вход которого соединен с датчиком углового положения летательного аппарата 1, второй вход соединен с датчиком угловой скорости 2, третий инвертирующий вход соединен с выходом задатчика требуемого значения углового положения летательного аппарата 3, четвертый вход соединен с выходом датчика углового ускорения 4, а выход соединен со входом интегрирующего привода рулевого органа 6, а также блок задания динамики углового движения 7, входы которого соединены соответственно с выходами датчика углового положения летательного аппарата 1, датчика угловой скорости 2, датчика углового ускорения 4 и задатчика требуемого значения углового положения летательного аппарата 3, выход соединен с пятым входом первого суммирующего усилителя 5.

Блок задания динамики углового движения 7 содержит:

8 - фильтр;

9 - сумматор;

10 - третий суммирующий усилитель;

11 - вычислитель;

12 - первый интегратор;

13 - третий интегратор;

14 - второй суммирующий усилитель;

15 - второй интегратор.

Приняты следующие обозначения:

- сигнал на первом выходе вычислителя 11;

- сигнал на втором выходе вычислителя 11;

ϕ^* - сигнал на выходе первого интегратора 12;

- сигнал на выходе второго интегратора 15;

- сигнал на выходе третьего суммирующего усилителя 10;

η - сигнал на выходе третьего интегратора 13.

Блок задания динамики углового движения 7 содержит вычислитель 11, первый и второй входы которого соответственно являются первым и вторым входами блока задания динамики углового движения 7, первый интегратор 12, вход которого соединен с первым выходом вычислителя 11, второй интегратор 15, вход которого соединен со вторым выходом вычислителя 11, сумматор 9, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора 12, второй, инвертирующий, вход соединен с выходом фильтра 8, вход которого является третьим входом блока задания динамики углового движения 7, третий суммирующий усилитель 10, входы которого соединены соответственно с выходами сумматора 9, второго выхода вычислителя 11 и второго интегратора 15, третий интегратор 13, вход которого соединен с выходом третьего суммирующего усилителя 10, а выход соединен с третьим входом вычислителя 11, второй суммирующий усилитель 14, первый и второй, инвертирующие, входы которого соединены с выходами первого интегратора и второго интегратора, третий и четвертый входы соединены со вторым и первым входами вычислителя, пятый, инвертирующий, вход соединен со вторым выходом вычислителя, шестой вход является четвертым входом блока задания динамики углового движения 7, а выход является выходом блока задания динамики углового движения 7.

Работа системы происходит следующим образом. Сигнал с датчика углового положения летательного аппарата 1 поступает на первый вход первого суммирующего усилителя 5, на второй и четвертый входы которого поступают сигналы с датчика угловой скорости 2 и датчика углового ускорения 4. Сигнал требуемого углового положения летательного аппарата поступает с задатчика требуемого углового положения летательного аппарата 3 на третий, инвертирующий, вход первого суммирующего усилителя 5. На входы блока задания динамики углового движения летательного аппарата 7 поступают соответственно сигналы углового положения летательного аппарата, угловой скорости, требуемого значения углового положения и сигнал углового ускорения.

Вычислитель 11 работает в соответствии с системой уравнений

где а₁₁, a₁₂, b₁, a₂₁, а₂₂, b₂ - постоянные коэффициенты,

ϕ, , η - сигналы соответственно на первом, втором и третьем входах вычислителя,

, - сигналы соответственно на первом и втором выходах вычислителя.

С первого выхода вычислителя 11 сигнал поступает на первый вход первого интегратора 12, работающий в соответствии с алгоритмом

Со второго выхода вычислителя 11 сигнал поступает на второй интегратор 15, работающий в соответствии с алгоритмом

Сигнал требуемого значения углового положения летательного аппарата, поступающий на третий вход блока задания динамики углового движения летательного аппарата 7, проходит через фильтр 8 с передаточной функцией вида

где Т - постоянная времени, р - оператор Лапласа

и поступает на второй, инвертирующий, вход сумматора 9, на первый вход которого поступает сигнал с выхода первого интегратора 12.

Введение фильтра 8 уменьшает перерегулирование по угловой координате при выходе ее на требуемое значение.

На выходе третьего суммирующего усилителя 10 формируется сигнал вида

где

i_x1, i_x2, i_x3 - постоянные передаточные числа.

С выхода третьего интегратора 13, вход которого соединен с выходом третьего суммирующего усилителя 10, на третий вход вычислителя 11 поступает сформированный сигнал η вида

Выходом блока задания динамики углового движения 7 является выход второго суммирующего усилителя 14. На выходе второго суммирующего усилителя 14 формируется дополнительный сигнал управления вида

где , , - постоянные передаточные числа,

- сигналы соответственно на первом, втором, третьим, четвертом, пятом и шестом входах.

С выхода блока задания динамики углового движения 7 сформированный дополнительный сигнал управления поступает на пятый вход первого суммирующего усилителя 5, выход которого соединен с интегрирующим приводом рулевого органа 6.

Дополнительный сигнал управления, сформированный в блоке задания динамики углового движения 7, позволяет обеспечить дополнительное отклонение рулевого органа, необходимое для компенсации влияния на динамику изменения динамических параметров движения летательного аппарата, возникающих при изменении режима полета. Компенсация изменения влияния на динамику динамических параметров движения летательного аппарата позволяет обеспечить оптимальные показатели переходных процессов по координатам углового движения летательного аппарата во всем эксплуатационном диапазоне изменений скоростей и высот полета, а для канала тангажа и при изменении центровки летательного аппарата в процессе движения.

Эффективность применения блока задания динамики углового движения 7 подтверждается фиг.3-6. На фиг.3-6 показаны графики переходных процессов летательного аппарата с системой управления угловым движением при наличии (фиг.4 и 6) и отсутствии (фиг.3 и 5) блока задания динамики углового движения 7. В качестве летательного аппарата принят легкий самолет.

На фиг.3 и 4 показаны соответственно графики переходных процессов летательного аппарата с системой управления без блока задания динамики углового движения 7 и с блоком задания динамики углового движения 7 при изменении эффективности рулевого органа. Кривая переходного процесса 1 соответствует уменьшению эффективности рулевого органа в два раза. Кривая переходного процесса 2 соответствует оптимальной настройке системы управления для расчетного значения эффективности рулевого органа. Кривая переходного процесса 3 соответствует увеличению эффективности рулевого органа в два раза.

Из фиг.3 видно, что изменение эффективности рулевого органа в системе управления угловым движением летательного аппарата без блока задания динамики углового движения 7 приводит к значительному изменению переходных процессов в угловом движении. При этом не выдерживаются требуемые показатели качества переходных процессов, соответствующие переходному процессу при расчетном значении эффективности рулевого органа.

Из фиг.4 видно, что введение блока задания динамики углового движения 7 в систему управления угловым движением летательного аппарата обеспечивает близость переходных процессов к оптимальному при широком изменении эффективности рулевого органа.

На фиг.5 и 6 показаны соответственно графики переходных процессов летательного аппарата с системой управления без блока задания динамики углового движения 7 и с блоком задания динамики углового движения 7 при смещении центра масс летательного аппарата. Кривая переходного процесса 1 соответствует смещению центра масс летательного аппарата назад вдоль хорды крыла относительно расчетного значения. Кривая переходного процесса 2 соответствует оптимальной настройке системы управления для расчетного значения положения центра масс. Кривая переходного процесса 3 соответствует смещению центра масс летательного аппарата вперед вдоль хорды крыла относительно расчетного значения. Кривая переходного процесса 4 соответствует смещению центра масс летательного аппарата назад за точку приложения подъемной силы (летательный аппарат статически неустойчивый).

Из фиг.5 видно, что смещение центра масс летательного аппарата в системе управления угловым движением летательного аппарата без блока задания динамики углового движения 7 приводит к значительному изменению переходных процессов в угловом движении. При этом не выдерживаются требуемые показатели качества переходных процессов, соответствующие переходному процессу при расчетном положении центра масс летательного аппарата.

Из фиг.6 видно, что введение блока задания динамики углового движения 7 в систему управления угловым движением летательного аппарата обеспечивает близость переходных процессов к оптимальному при смещении центра масс летательного аппарата.

Предлагаемая система обеспечивает оптимальные показатели переходных процессов по координатам углового движения летательного аппарата, не требующие коррекции коэффициентов пропорциональности законов управления угловым движением летательного аппарата во всем эксплуатационном диапазоне изменений скоростей и высот полета, а для канала тангажа и при изменении центровки летательного аппарата в процессе движения.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для управления угловым движением летательных аппаратов. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата система управления угловым движением летательного аппарата содержит каналы рыскания, крена и тангажа, каждый из которых содержит датчик углового положения летательного аппарата, датчик угловой скорости и датчик углового ускорения. При этом первый вход первого суммирующего усилителя соединен с датчиком углового положения летательного аппарата, второй вход соединен с датчиком угловой скорости, третий инвертирующий вход соединен с выходом задатчика требуемого значения углового положения летательного аппарата, четвертый вход соединен с выходом датчика углового ускорения, а выход соединен со входом интегрирующего привода рулевого органа. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система управления угловым движением летательного аппарата с интегрирующим приводом, реализованная согласно системе уравнений

где δ_H, δ_Э, δ_В - угол отклонения рулевого органа, соответственно руля направления, элеронов, руля высоты, - коэффициенты пропорциональности, которая содержит каналы рыскания, крена и тангажа, каждый из которых содержит датчик углового положения летательного аппарата, датчик угловой скорости и датчик углового ускорения, которые соответственно являются датчиком угла рыскания ψ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси OY связанной системы координат ω_у, датчиком углового ускорения относительно оси OY связанной системы координат , или датчиком угла крена γ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси ОХ связанной системы координат ω_х, датчиком угловою ускорения относительно оси ОХ связанной системы координат , или датчиком угла тангажа ϑ, датчиком угловой скорости вращения летательного аппарата относительно оси OZ связанной системы координат ω_z, датчиком углового ускорения относительно оси OZ связанной системы координат , задатчик требуемого значения углового положения летательного аппарата, соответственно ψ_З, или γ_З, или ϑ_З, первый суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с датчиком углового положения летательного аппарата, второй вход соединен с датчиком угловой скорости, третий инвертирующий вход соединен с выходом задатчика требуемого значения углового положения летательного аппарата, четвертый вход соединен с выходом датчика углового ускорения, а выход соединен с входом интегрирующего привода рулевого органа, отличающаяся тем, что дополнительно введен блок задания динамики углового движения, входы которого соединены соответственно с выходами датчика углового положения летательного аппарата, датчика угловой скорости, датчика углового ускорения и задатчика требуемого значения углового положения летательного аппарата, выход соединен с пятым входом первого суммирующего усилителя.

где а₁₁, a₁₂, b₁, a₂₁, а₂₂, b₂ - постоянные коэффициенты,

ϕ, , η - сигналы соответственно на первом, втором и третьем входах вычислителя,

- сигналы соответственно на первом и втором выходах вычислителя; первый интегратор, первый вход которого соединен с первым выходом вычислителя, второй интегратор, вход которого соединен со вторым выходом вычислителя, сумматор, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора, второй, инвертирующий, вход соединен с выходом фильтра с передаточной функцией

где Т - постоянная времени, р - оператор Лапласа, вход которого является третьим входом блока задания динамики углового движения, третий суммирующий усилитель, входы которого соединены соответственно с выходами сумматора, второго интегратора и вторым выходом вычислителя, третий интегратор, вход которого соединен с выходом третьего суммирующего усилителя, а выход с третьим входом вычислителя, второй суммирующий усилитель, первый и второй, инвертирующие, входы которого соединены с выходами первого интегратора и второго интегратора, третий и четвертый входы соединены с первым и вторым входами вычислителя, пятый вход соединен со вторым выходом вычислителя, шестой, инвертирующий, вход является четвертым входом блока задания динамики углового движения, а выход является выходом блока задания динамики углового движения.