СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ УГЛОМ ТАНГАЖА И ОГРАНИЧЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2015 года по МПК B64C13/18 

Изобретение относится к области систем автоматического управления (САУ) углом тангажа летательного аппарата (ЛА).

Известны САУ, обеспечивающие отработку заданного угла тангажа ЛА с помощью автопилота, воздействующего на угол отклонения руля высоты ЛА [1. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1973. - 506 с. Стр. 101, рис. 3.9; 2. Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. - М.: Наука, 1973. - 560 с. Стр. 179, рис. 5.2; 3. Михалев И.А., Окоемов Б.Н., Чикулаев М.С. Системы автоматического управления самолетом. - М.: Машиностроение, 1987. - 240 с. Стр. 198, рис. 14.7].

Эти САУ одинаковы по своей структуре и содержат последовательно соединенные задатчик угла тангажа, вычислитель автопилота угла тангажа, сервопривод руля высоты летательного аппарата и датчик угла тангажа летательного аппарата, имеющий выход, подключенный к второму входу вычислителя автопилота угла тангажа. За счет астатических законов управления САУ обеспечивают хорошую точность поддержания заданного значения угла тангажа.

Однако рассмотренные САУ не позволяют ограничить предельные значения параметров ЛА в процессе полета, например угол атаки и нормальную перегрузку.

Наиболее близкой по достигаемому техническому результату, выбранной в качестве прототипа, принимается САУ углом тангажа и ограничения угла атаки ЛА, содержащая последовательно соединенные задатчик угла тангажа, вычислитель автопилота угла тангажа, алгебраический селектор, сервопривод руля высоты летательного аппарата и датчик угла тангажа летательного аппарата, имеющий выход, подключенный к второму входу вычислителя автопилота угла тангажа, последовательно соединенные задатчик максимального угла атаки и вычислитель автомата ограничения угла атаки, второй вход которого соединен с выходом датчика угла атаки летательного аппарата, а выход - со вторым входом алгебраического селектора [Патент РФ №2434785 на изобретение: МПК 8 B64C 13/18. Система автоматического управления углом тангажа и ограничения угла атаки летательного аппарата / Петунин В.И., Абдуллина Э.Ю., Ефанов В.Н. - Зарегистр. в Государственном реестре изобретений РФ 27.11.2011. Бюл. №33].

Эта САУ обеспечивает хорошие статические и динамические характеристики канала управления углом тангажа ЛА и позволяет ограничить значение угла атаки, но не ограничивает величину нормальной перегрузки, что может привести к недопустимым силовым нагрузкам на ЛА и нарушению его прочности, а также ухудшению условий жизнедеятельности членов экипажа и комфорта пассажиров.

Как известно, одним из наиболее важных ограничений при полете ЛА является ограничение нормальной перегрузки n_у. Ее значение в опорном движении не должно превышать эксплуатационного ограничения $$n_{у}^{э}$$ , которое зависит от класса ЛА [1. Михалев И.А., Окоемов Б.Н., Чикулаев М.С. Системы автоматического управления самолетом. - М.: Машиностроение, 1987. - С. 240. Стр. 42; 2. Аэромеханика самолета. Динамика полета: Учебник для авиационных вузов / Под ред. А. Ф. Бочкарева и В.В. Андриевского. - М.: Машиностроение, 1985. - 360 с. Стр. 47].

Согласно работе [Егер С.М., Матвиенко A.M., Шаталов И.А. Основы авиационной техники / Под ред. И.А. Шаталова. М.: Машиностроение, 2003. 720 с. Стр. 124] у маневренных самолетов (например, перехватчиков) эксплуатационные перегрузки могут достигать 10…13; для неманевренных самолетов (пассажирских, транспортных) эксплуатационные перегрузки не превышают 2.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности управления ЛА и выдерживание благоприятных условий полета для экипажа и пассажиров.

Технический результат - обеспечение необходимой точности ограничения нормальной перегрузки за счет включения соответствующего автомата ограничения с помощью алгебраического селектора.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в систему автоматического управления углом тангажа и ограничения предельных значений параметров летательного аппарата, содержащую последовательно соединенные задатчик угла тангажа, вычислитель автопилота угла тангажа, алгебраический селектор, сервопривод руля высоты летательного аппарата и датчик угла тангажа летательного аппарата, имеющий выход, подключенный к второму входу вычислителя автопилота угла тангажа, последовательно соединенные задатчик максимального угла атаки и вычислитель автомата ограничения угла атаки, второй вход которого соединен с выходом датчика угла атаки летательного аппарата, а выход - со вторым входом алгебраического селектора, в отличие от прототипа дополнительно введены последовательно соединенные задатчик максимальной нормальной перегрузки и вычислитель автомата ограничения нормальной перегрузки, второй вход которого соединен с выходом датчика нормальной перегрузки летательного аппарата, а выход - с третьим входом алгебраического селектора.

Существо изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемой системы автоматического управления углом тангажа и ограничения предельных значений параметров летательного аппарата.

На фиг. 2 представлены результаты моделирования переходных процессов: 2a - графики переходных процессов в САУ углом тангажа ϑ без автомата ограничения нормальной перегрузки n_у; 26 - графики переходных процессов в САУ углом тангажа ϑ с автоматом ограничения нормальной перегрузки n_у; L - логический сигнал, определяющий момент переключения с канала ограничения нормальной перегрузки на канал управления углом тангажа

Система автоматического управления углом тангажа и ограничения предельных значений параметров летательного аппарата, содержащая последовательно соединенные задатчик угла тангажа 1, вычислитель автопилота угла тангажа 2, алгебраический селектор 3, сервопривод руля высоты 4 летательного аппарата 5 и датчик угла тангажа 6 летательного аппарата 5, имеющий выход, подключенный к второму входу вычислителя автопилота угла тангажа 2, последовательно соединенные задатчик максимального угла атаки 7 и вычислитель автомата ограничения угла атаки 8, второй вход которого соединен с выходом датчика угла атаки 9 летательного аппарата 5, а выход - со вторым входом алгебраического селектора 3, согласно изобретению содержит последовательно соединенные задатчик максимальной нормальной перегрузки 10 и вычислитель автомата ограничения нормальной перегрузки 11, второй вход которого соединен с выходом датчика нормальной перегрузки 12 летательного аппарата 5, а выход - с третьим входом алгебраического селектора 3.

Ограничение нормальной перегрузки в приведенной системе достигается за счет введения в ее структуру автомата ограничения нормальной перегрузки с помощью алгебраического селектора.

Система автоматического управления углом тангажа и ограничения предельных значений параметров летательного аппарата работает следующим образом.

Сигнал заданного угла тангажа ϑ_зад с выхода задатчика угла тангажа 1 поступает на первый вход вычислителя автопилота угла тангажа 2, на второй вход которого поступает сигнал текущего значения угла тангажа ϑ с выхода датчика угла тангажа 6. На выходе вычислителя автопилота угла тангажа 2 формируется сигнал

поступающий на один из входов алгебраического селектора 3. Здесь p=d/dt - оператор дифференцирования; k_ϑ, $$k_{\dot{\vartheta }}$$ , $$k_{\ddot{\vartheta }}$$ , $$k_{\stackrel{⃛}{\vartheta }}$$ - передаточные числа автопилота.

Сигнал заданного максимального угла атаки α_огр с выхода задатчика максимального угла атаки 7 поступает на первый вход вычислителя автомата ограничения угла атаки 8, на второй вход которого поступает сигнал текущего значения угла атаки α с выхода датчика угла атаки 9. На выходе вычислителя автомата ограничения угла атаки 8 формируется сигнал

поступающий на второй вход алгебраического селектора 3. Здесь k_α, $$k_{\dot{\alpha }}$$ , $$k_{\ddot{\alpha }}$$ - передаточные числа автомата ограничения.

Сигнал заданной максимальной нормальной перегрузки n_{у огр} с выхода задатчика максимальной нормальной перегрузки 10 поступает на первый вход вычислителя автомата ограничения нормальной перегрузки 11, на второй вход которого поступает сигнал текущего значения нормальной перегрузки n_у с выхода датчика нормальной перегрузки 12. На выходе вычислителя автомата ограничения нормальной перегрузки 11 формируется сигнал

поступающий на третий вход алгебраического селектора 3. Здесь Δn_у(t)=n_у(t)-1 - приращение нормальной перегрузки; $$k_{n_{у}};k_{{\dot{n}}_{у}};k_{{\ddot{n}}_{у}}$$ - передаточные числа автомата ограничения.

Приведенные соотношения получены на основе соответствующих законов управления, вывод которых приведен ниже.

Для построения САУ с ограничением параметров ЛА используются логические устройства, реализующие алгоритмы алгебраического селектирования каналов. Обычно применяется принцип селектирования, согласно которому регулируется параметр многомерного объекта управления, наиболее приблизившийся к величине, определяемой программой управления [Петунин В.И. Синтез систем автоматического управления летательными аппаратами с автоматами ограничений предельных параметров // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Том 53. №10. - С. 18-24]. Такое селектирование реализуется с помощью алгебраических селекторов.

Для того чтобы регулируемые параметры не превысили максимальных допустимых значений (ограничение сверху), селектор должен пропустить на управление сигнал, соответствующий получению минимальной величины управляющего сигнала. Такое селектирование называют селектированием по минимуму, а селектор - селектором минимальных сигналов управления.

Если же ограничивают минимальные значения параметров (ограничение снизу), то предпочтение отдается регулятору параметра, для поддержания которого требуется наибольший управляющий сигнал, т.е. осуществляется селектирование по максимуму. В этом случае используют селектор максимальных сигналов управления.

Так как в данном случае необходимо ограничить максимальные значения угла атаки и нормальной перегрузки, то в рассматриваемой системе необходимо использовать алгебраический селектор 3 минимального входного сигнала

U=min{U₁, U₂, U₃}.

Селекторы вводятся в САУ для плавного переключения каналов управления и обеспечивают во всех условиях работы управляющее воздействие только одного из нескольких каналов управления, включаемых в работу в зависимости от режима работы объекта управления. При этом каждый из каналов управления работает автономно и его параметры обычно выбираются без учета взаимодействия с другими каналами. Это позволяет сохранить статическую точность и запасы устойчивости, свойственные отдельным каналам управления.

Следовательно, алгебраический селектор 3 обеспечивает плавное переключение с одного канала на другой, например с автопилота на автомат ограничения и обратно на автопилот.

Выходной сигнал U алгебраического селектора 3 поступает на вход астатического сервопривода руля высоты 4 с передаточной функцией

изменяющего угол отклонения δ_в руля высоты летательного аппарата 5:

Приведем синтез системы автоматического управления углом тангажа и ограничения предельных значений параметров летательного аппарата.

Аналитический синтез передаточных чисел автопилота и автоматов ограничения с учетом заданного качества САУ удобно производить с помощью метода стандартных переходных характеристик [Петунин В.И. Синтез законов управления канала тангажа автопилота // Вестник УГАТУ, серия «Управление, вычислительная техника и информатика». 2007. Том 9, №2 (20). С. 25-31]. При этом должно выполняться равенство передаточных функций исходной Ф(p) и желаемой систем Ф*(p):

Передаточная функция самолета по углу тангажа ϑ при управлении рулем высоты δ_в [Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1973. - 506 с. Стр. 28]:

Закон управления астатического автопилота угла тангажа со скоростной обратной связью:

Синтез астатического автопилота угла тангажа со скоростной обратной связью подробно рассмотрен в работе [Петунин В.И. Синтез законов управления канала тангажа автопилота // Вестник УГАТУ, серия «Управление, вычислительная техника и информатика». 2007. Том 9, №2 (20). С. 25-31].

Передаточная функция самолета по углу атаки α при управлении рулем высоты δ_в [Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1973. - 506 с. Стр. 28]:

Закон управления автомата ограничения угла атаки:

Синтез астатического автомата ограничения угла атаки подробно рассмотрен в работе [Петунин В.И. Синтез систем автоматического управления летательными аппаратами с автоматами ограничений предельных параметров // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Том 53. №10. - С. 18-24].

Передаточная функция самолета по нормальной перегрузке n_у при управлении рулем высоты δ_в может быть получена из передаточной функции по углу атаки [Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1973. - 506 с. Стр. 97]:

где k=n_вn₂₂V/g; V - скорость полета; g - ускорение свободного падения. Закон управления автомата ограничения нормальной перегрузки:

Передаточная функция замкнутой системы по нормальной перегрузке:

Желаемая передаточная функция замкнутой системы по нормальной перегрузке:

Тогда передаточные числа автомата ограничения:

Результаты синтеза подтверждаются результатами моделирования переходных процессов в заявляемой системе автоматического управления углом тангажа и ограничения нормальной перегрузки летательного аппарата, представленными на фиг. 2, где задающие воздействия каналов: ϑ_зад=1; n_{у огр}=1,5. Переходные процессы 2а, полученные в САУ без автомата ограничения, являются неудовлетворительными, так как имеют заброс по нормальной перегрузке. Переходные процессы 2б, полученные в САУ углом тангажа с автоматом ограничения нормальной перегрузки, являются удовлетворительными, поскольку показывают необходимую точность ограничения n_у≤n_{у огр}=1,5 и хорошее качество управления на режимах переключения каналов системы.

Итак, заявляемое изобретение позволяет, благодаря введению в САУ углом тангажа ЛА с помощью алгебраического селектора автоматов ограничения угла атаки и нормальной перегрузки, обеспечить необходимую точность ограничения предельных значений параметров летательного аппарата, а также плавные переходные процессы при переключении каналов.

Система автоматического управления углом тангажа и ограничения предельных значений параметров летательного аппарата содержит задатчик угла тангажа, вычислитель автопилота угла тангажа, алгебраический селектор, сервопривод руля высоты, датчик угла тангажа, задатчик максимального угла атаки, вычислитель автомата ограничения угла атаки, датчик угла атаки, задатчик максимальной нормальной перегрузки, вычислитель автомата ограничения нормальной перегрузки, датчик нормальной перегрузки. Обеспечиваются точность ограничения предельных значений параметров летательного аппарата и плавные переходные процессы при переключении каналов управления. 2 ил.

Система автоматического управления углом тангажа и ограничения предельных значений параметров летательного аппарата, содержащая последовательно соединенные задатчик угла тангажа, вычислитель автопилота угла тангажа, алгебраический селектор, сервопривод руля высоты летательного аппарата и датчик угла тангажа летательного аппарата, имеющий выход, подключенный к второму входу вычислителя автопилота угла тангажа, последовательно соединенные задатчик максимального угла атаки и вычислитель автомата ограничения угла атаки, второй вход которого соединен с выходом датчика угла атаки летательного аппарата, а выход - со вторым входом алгебраического селектора, отличающаяся тем, что дополнительно содержит последовательно соединенные задатчик максимальной нормальной перегрузки и вычислитель автомата ограничения нормальной перегрузки, второй вход которого соединен с выходом датчика нормальной перегрузки летательного аппарата, а выход - с третьим входом алгебраического селектора.