АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНО-БАЛАНСИРОВОЧНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2010 года по МПК G05D1/00 

Изобретение относится к функциональным устройствам для бортовых систем автоматического управления и стабилизации аэродинамических летательных аппаратов (ЛА).

Известны системы управления угловым положением ЛА, содержащие датчик угла, датчик угловой скорости, последовательно соединенные задатчик сигнала управления, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика угла, и суммирующий усилитель, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости [1].

Недостатком известного устройства является ограниченность функциональных возможностей управления и невысокая точность при больших значениях углов атаки, поскольку значительная часть сигнала управления расходуется на переходные процессы с учетом балансировочного значения угла атаки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство формирования сигнала управления, которое содержит измеритель углового положения, измеритель угловой скорости, последовательно соединенные задатчик сигнала управления, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом измерителя углового положения, и первый суммирующий усилитель, второй вход которого соединен с выходом измерителя угловой скорости, последовательно соединенные интегрирующий усилитель, вход которого соединен с выходом блока сравнения, и первый ограничитель сигнала, и второй суммирующий усилитель [2].

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются повышенная динамичность канала балансировки летательного аппарата, обусловливающая дополнительное движение относительно осредненных параметров балансировки балансировочного канала, что в условиях нестационарности летательного аппарата, например, по скорости и высоте, ограничивает функциональные возможности устройства в целом.

Указанные недостатки особенно заметно проявляются в реальных условиях при управлении летательным аппаратом, рулевые поверхности которого задействуются во всех каналах управления (по тангажу, крену).

Решаемой в предлагаемом устройстве технической задачей является расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности управления.

Указанный результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее измеритель углового положения, измеритель угловой скорости, последовательно соединенные задатчик сигнала управления, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом измерителя углового положения, и первый суммирующий усилитель, второй вход которого соединен с выходом измерителя угловой скорости, последовательно соединенные интегрирующий усилитель, вход которого соединен с выходом блока сравнения, и первый ограничитель сигнала, и второй суммирующий усилитель, дополнительно введены последовательно соединенные измеритель скоростного напора и апериодический фильтр, второй вход которого соединен с выходом первого ограничителя сигнала, а выход - со входом второго суммирующего усилителя, и второй ограничитель сигнала, вход которого соединен с выходом второго суммирующего усилителя, а выход является выходом устройства, при этом выход измерителя скоростного напора соединен со вторыми входами интегрирующего усилителя и первого ограничителя сигнала, а выход первого суммирующего усилителя соединен с вторым входом второго суммирующего усилителя, при этом величина постоянной времени апериодического фильтра Т_ф составляет Т_ф=(0,2÷0,5) Т_ϑ, где Т_ϑ - постоянная времени канала тангажа летательного аппарата.

Введенный в канал балансировки апериодический фильтр определяет необходимое замедление процесса в этом канале по сравнению с более динамичным процессом в основном канале управления. По предложенному решению корректно распределены функции ограничения выходных сигналов в каналах управления по физическому смыслу, исходя из ограничения ресурса рулевых органов и расчетного значения балансировки для балансировочного канала. Таким образом, отработка сигналов управления по основному каналу производится функционально - без предварительного избыточного ограничения. Введены средства адаптации - перестройка требуемых параметров балансировочного канала: коэффициента усиления интегрирующего усилителя, ограничения и постоянной времени апериодического фильтра - в функции скоростного напора как наиболее характерной функции условий полета ЛА: скорости V и высоты H.

На чертеже представлена структурная схема адаптивного устройства формирования сигнала управления продольно-балансировочным движением летательного аппарата.

Адаптивное устройство формирования сигнала управления продольно-балансировочным движением летательного аппарата содержит измеритель углового положения 1, измеритель угловой скорости 2, последовательно соединенные задатчик сигнала управления 3, блок сравнения 4, второй вход которого соединен с выходом измерителя углового положения 1, и первый суммирующий усилитель 5, второй вход которого соединен с выходом измерителя угловой скорости 2, последовательно соединенные интегрирующий усилитель 6, вход которого соединен с выходом блока сравнения 4, и первый ограничитель сигнала 7, и второй суммирующий усилитель 8, последовательно соединенные измеритель скоростного напора 9 и апериодический фильтр 10, второй вход которого соединен с выходом первого ограничителя сигнала 7, а выход - с первым входом второго суммирующего усилителя 8, и второй ограничитель сигнала 11, вход которого соединен с выходом второго суммирующего усилителя 8, а выход является выходом устройства, при этом выход измерителя скоростного напора 9 соединен со вторыми входами интегрирующего усилителя 6 и первого ограничителя сигнала 7, а выход первого суммирующего усилителя 5 соединен с вторым входом второго суммирующего усилителя 8.

Устройство сформировано для канала тангажа и работает следующим образом.

Задатчиком сигнала управления 3 формируется сигнал управления ϑ_зад.(t), составными компонентами которого являются:

- балансировочная, медленная компонента ϑ_зад.м(t), соответствующая изменениям балансировочных углов атаки α_бал. и отклонениям рулей δ_бал.

- текущая, быстрая компонента ϑ_зад.б(t), соответствующая управляемым разворотам ЛА.

Таким образом,

Закон регулирования формируется по сигналам управления ϑ_зад.(t) углового положения ЛА ϑ(t) и угловой скорости ЛА ω_z(t). Основная, базовая компонента сигнала управления σ_б(x) формируется в первом суммирующем усилителе 5 в виде:

где Δϑ(t) - сигнал рассогласования,

формируемый блоком сравнения 4 по сигналам ϑ_зад.(t) от задатчика сигнала управления 3 и ϑ(t) от измерителя углового положения 1;

K_ϑ, К_ωz - передаточные числа по рассогласованию и угловой скорости, соответственно;

ω_z(t) - сигнал угловой скорости ЛА, поступающий от измерителя угловой скорости 2, ω_z(t)=(t).

Сигнал σ_б(t) поступает на второй суммирующий усилитель 8. Сигнал σ_б(t), сформированный в соответствии с базовым законом управления (2), дополняется сигналом интегральной компоненты σ_u(t), который формируется интегрирующим усилителем 6 по сигналу рассогласования (3):

где К_и - масштабный передаточный коэффициент интегрирующего усилителя 6.

Сигнал σ_и(t) ограничивается первым ограничителем сигнала 7, уровень ограничения σ^огр _и(t) которого соответствует рассчитанному значению балансировочного отклонения рулей δ_бал. Сигнал σ^огр _и(t) с первого ограничителя 7 поступает через апериодический фильтр 10 в виде сигнала σ_ф(t) на второй суммирующий усилитель 8, сигнал на выходе которого равен:

Далее сигнал σ_вых(t) ограничивается по уровню вторым ограничителем сигнала 11, полученный ограниченный сигнал (t) и является выходным сигналом устройства. Уровень ограничения, установленный на втором ограничителе сигнала 11, определяет величину сигналов рассматриваемого канала управления по тангажу, необходимую для отработки их соответствующими рулевыми поверхностями, с учетом бездефицитности отработки этими же рулями сигналов смежных каналов (курса и крена, здесь не рассматриваемых). При этом величина постоянной времени апериодического фильтра 10 Т_ф, с точки зрения компромисса по эффективности интегральной компоненты и обеспечения устойчивости контура управления, определяется в пределах Т_ф=(0,2÷0,5Т_ϑ, где T_ϑ - постоянная времени канала тангажа ЛА.

Введение интегральной компоненты в балансировочный канал - блоки 6, 7, 10, 8 - обеспечивает отработку балансировочной, медленной компоненты сигнала управления ϑ_зад.м(t). Действительно, пусть ϑ_зад.б=0, ϑ_зад.м≠0. Тогда в силу того, что закон формирования выходного сигнала представленного устройства является астатическим законом нулевого порядка, установившееся значение сигнала рассогласования для такого режима

Тогда, в соответствии с (3) установившееся значение ϑ_уст:

Очевидно также, что для этого режима Следовательно, и установившееся значение интегральной компоненты σ_{и уст} соответствует балансировочному значению угла отклонения рулевых поверхностей ЛА:

Поскольку для рассматриваемого режима Δϑ_уст=0, ω_zуст=0, то и σ_{б уст}=0 и .

При поступлении на вход основного канала (блоки 4, 5, 8, 11) быстрой компоненты сигнала управления ϑ_зад.б(t), например, для управления маневром ЛА, отработка его будет осуществляться относительно балансировочного движения ЛА и будет симметричным для сигналов ϑ_зад.б(t) разных знаков, т.е. будет производиться относительно нуля характеристики второго ограничителя 11 (ограничителя прямой цепи формирования управляющего сигнала σ_вых(t)), что повышает точность отработки управляющих воздействий на ЛА в целом.

Введение ограничения сигнала интегральной компоненты и последующей фильтрации позволяет уменьшить колебательность в замкнутом контуре регулирования и значительные выбросы в переходных процессах.

Таким образом, предложенное адаптивное устройство формирования сигнала управления продольно-балансировочным движением летательного аппарата позволяет расширить функциональные возможности управления летательным аппаратом в целом и повысить точность.

Положительный эффект подтвержден результатами анализа и математического моделирования.

Все составные звенья и блоки устройства управления могут быть выполнены на современных элементах автоматики и вычислительной техники, а также и программно-алгоритмически в бортовых вычислительных машинах ЛА.

Источники информации

1. Аэродинамика, устойчивость и управляемость сверхзвуковых самолетов. Под ред. Г.С.Бюшгенса. М.: Наука, Физматлит, 1998, с.411.

2. Полезная модель РФ №56663, кл. G05D 1/08, 25.05.2006 г.

Изобретение относится к области авиакосмического приборостроения и может найти применение при проектировании бортовых систем автоматического управления летательными аппаратами. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата устройство содержит измеритель углового положения, измеритель угловой скорости, задатчик сигнала управления, блок сравнения, первый и второй суммирующие усилители, интегрирующий усилитель, первый и второй блоки ограничения сигнала, измеритель скоростного напора и апериодический фильтр. При этом величина постоянной времени апериодического фильтра Т_ф составляет Т_ф=(0,2÷0,5)Т_ϑ, где Т_ϑ - постоянная времени канала тангажа летательного аппарата. 1 ил.

Адаптивное устройство формирования сигнала управления продольно-балансировочным движением летательного аппарата, содержащее измеритель углового положения, измеритель угловой скорости, последовательно соединенные задатчик сигнала управления, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом измерителя углового положения, и первый суммирующий усилитель, второй вход которого соединен с выходом измерителя угловой скорости, последовательно соединенные интегрирующий усилитель, вход которого соединен с выходом блока сравнения, и первый ограничитель сигнала, и второй суммирующий усилитель, отличающееся тем, что оно содержит последовательно соединенные измеритель скоростного напора и апериодический фильтр, второй вход которого соединен с выходом первого ограничителя сигнала, а выход - со входом второго суммирующего усилителя, и второй ограничитель сигнала, вход которого соединен с выходом второго суммирующего усилителя, а выход является выходом устройства, при этом выход измерителя скоростного напора соединен со вторыми входами интегрирующего усилителя и первого ограничителя сигнала, а выход первого суммирующего усилителя соединен с вторым входом второго суммирующего усилителя, при этом величина постоянной времени апериодического фильтра Т_ф составляет Т_ф=(0,2÷0,5)Т_ϑ, где Т_ϑ - постоянная времени канала тангажа летательного аппарата.