Схема автоматического и совмещенного управления ЛА

Назначение САУ-ЛА и АП

Целью данного курса является ознакомление с наиболее общими принципами определения конструктивных параметров элементов и агрегатов автоматических устройств, применяемых для управления летательными аппаратами, в первую очередь - автопилота.

Переходя к предмету курса, следует в первую очередь отметить, что основным назначением САУ-ЛА является автоматическое управление полетом ЛА. При этом под автоматическими устройствами подразумеваются разнообразные САУ ЛА (САУ ЛА – система автоматического управления летательного аппарата), обеспечивающие в том или ином объеме автоматизацию управления полетом.

Автопилот – это система автоматического управления летательного аппарата (ЛА), предназначенная для перемещения органов управления ЛА с целью обеспечения требуемых значений параметров полета (назначение АП в основном соответствует функциям пилотирования, которые выполняет летчик).

Многообразие классов ЛА (ЛА – летательный аппарат) и еще большее многообразие функций САУ ЛА, приводит к необходимости дифференцированного подхода к вопросам расчета и проектирования в каждом конкретном случае. Естественно, что в рамках одного курса полностью охватить все многообразие конструкций невозможно, поэтому многие типовые элементы (усилители и другие электронные устройства) рассматриваться не будут. Основное внимание при изучении курса будет уделено влиянию конструктивных параметров элементов АП на динамические характеристики системы ЛА-САУ.

Они начали появляться одновременно с появлением первых управляемых ЛА – самолетов. В развитии САУ управления полетом могут быть отмечены три этапа:

1. Использование регуляторов прямого (или непосредственного) действия – в настоящее время представляют в основном исторический интерес (пример - газовый редуктор-регулятор давления, флюгерный и маятниковый АП, см. Приложение).

2. Использование регуляторов непрямого действия (автопилот Циолковского для дирижабля, 1898 год, и до 1940 г.), в основном одноканальных, в которых чувствительный элемент воздействует на регулирующий орган объекта регулирования не непосредственно, а через усилительно-преобразовательное устройство. Необходимые для перемещения регулирующего органа усилие и мощность, пропорциональные размеру управляющего воздействия, развиваются за счёт отдельного источника энергии.

3. Использование многоканальных и многофункциональных САУ.

Схема автоматического и совмещенного управления ЛА

Для автоматического управления необходимо построить замкнутый контур, рис. 1.

Объединение воздействий летчика и САУ на ЛА может осуществляться двумя способами:

- непосредственное суммирование перемещения штурвальной колонки летчиком и сигнала от САУ специальным механическим агрегатом (электрически, летчик оперирует джойстиком и сигнал управления подается на сервопривод);

- директорное (полуавтоматическое) управление, САУ формирует сигнал рассогласования относительно заданной траектории и этот сигнал подается на специальный командный прибор – индикатор, а летчик перемещает штурвальную колонку и полностью управляет рулями, стремясь удержать стрелку в центральном (нулевом) положении.

Полностью автоматическое управление полетом осуществляется без вмешательства, но под контролем экипажа, а также на беспилотных ЛА.

Тема 1. САУ ЛА и АП в составе оборудования современного самолета

Пилотажно-навигационный комплекс, функции, состав ПНК

Автопилот ЛА, назначение и основные функции АП

Агрегатная блок-схема АП

Схема (принципы) формирования управляющих сигналов канала АП

Важно представить, какое место занимает САУ ЛА и АП в составе оборудования современного самолета. Пилотажно-навигационный комплекс обеспечивает решение двух групп задач: (1) навигация и (2) управление ЛА (задача 1: где находимся, куда движемся, как проложить траекторию полета, задача 2: как управлять движением, куда перемещать органы управления).

Агрегатная блок-схема АП

Принципиально в составе любого АП можно выделить ряд основных агрегатов, выполняющих определенные функции, хотя не всегда имеющих законченное конструктивное оформление в едином блоке (необходимо рассматривать распределенную систему, например набор ДПИ, каждый из которых имеет законченную конструкцию или системы контроля, которые присутствуют в различных блоках, но информация от них поступает в центральный блок обработки). Ряд основных агрегатов представлен на схеме рис. 4.

ПУ и РУ – пульт управления и рукоятки управления – устройства, посредством которых осуществляется оперативное управление АП и управление ЛА через АП (например, задатчик координированного разворота).

Рис. 4. Агрегатная блок-схема АП

СВК – система встроенного контроля – совокупность специальных устройств, измеряющих параметры процесса управления и/или движения ЛА, производящих обработку этих замеров по определенному алгоритму с целью получения показателей правильности процесса управления ЛА посредством АП (пример: ограничение α_крит).

ДПИ – система датчиков первичной информации (V, H, углы, угловые скорости, перегрузка и др.).

БС – блок связи – агрегат, согласующий выходные характеристики взаимодействующих с АП систем и ДПИ с входными характеристиками АП. (блок согласования, обнуляет рассогласование сигнала конкретного датчика и заданного параметра стабилизации (например, по тангажу для горизонтального полета), что предотвращает возникновение скачкообразных управляющих сигналов на входе вычислительного устройства САУ и исключает рывки рулевого агрегата).

ВУ – вычислительное устройство или блок формирования управляющих сигналов, агрегат, осуществляющий логическо-вычислительные операции и операционно-функциональные преобразования с сигналами ДПИ и вырабатывающий управляющие сигналы в АП в соответствии с реализованным в нем законом управления.

СП – сервопривод АП, исполнительный механизм – силовая следящая система, предназначенная для перемещения органа управления ЛА, или устройство, непосредственно вырабатывающее управляющее усилие (или момент), приложенное к ЛА.

И – индикаторы, сигнальные, измерительные и командные приборы, обеспечивающие передачу качественной и количественной информации об условиях полета ЛА и техническом состоянии АП (приборы и указатели, отображающие параметры полета по сигналам ДПИ, параметры настройки и состояния вычислителя САУ, величины перемещения органов управления и иную необходимую информацию).

НПК и САУ имеют распределенную структуру, АП также не реализуется единым блоком, поскольку в его состав входят разнородные агрегаты и приборы, работающие на различных физических принципах, требующие подвода энергопитания и размещения на ЛА в соответствии с назначением и выполняемыми функциями (примеры: ДПИ, исполнительные механизамы).

 

Системы координат

Связанная система координат	Положение связанной системы координат в земной системе координат

Рассмотрим плоское движение летательного аппарата, при котором вектор скорости центра масс совпадает с плоскостью симметрии. Самолет в скоростной системе координат представлен на рис.2.2.

Рис.9. Самолет в скоростной системе координат

 

Примеры реализации

Вероятно, первым самолётом с подобной автоматикой стал М-50 ОКБ-23 Мясищева. АБСУ-50, установленная на этом самолёте, также имела систему искусственной центровки (автомат перекачки топлива).

Например, система гражданского самолета - АБСУ-134 состоит из автопилота АП-134, автомата тяги АТ-5, системы траекторного управления СТУ-134 и аппаратуры ухода на второй круг.

АБСУ устанавливалось на самолеты ТУ-154 и ТУ-144 (АБСУ-154) и ИЛ-62 (САУ-1Т)

В составе бортового оборудования самолёта Ту-154 система АБСУ-154-2 является составной частью ПНК самолёта и выполняет функции, перечисленные ниже в табл. 1.

При разработке необходимо учесть, что система управления для каждого самолета практически уникальна, поскольку ЛА различаются:

- по назначению и ТТХ

- по компоновке и техническим идеям

- использованием различных типов механизмов в зависимости от массы, скорости, назначения

- применением новых материалов, конструктивных элементов и приборов.

В качестве примера можно привести перечень функций, выполняемых системой управления Ту-154 (аналогичные по функционалу системы разработаны для аэробуса ИЛ-86 и пассажирского самолета ИЛ-62 и других.

На рис. 2.4 вверху слева показана структура системы управления рулем высоты, включающая механическую систему ручного управления (элементы 1-7) и систему автоматического управления (элементы 11-13).

 

Отличительной особенностью системы управления сов­ременного самолета является наличие необратимых бустерных сис­тем.

При необра­тимой системе гидроусилитель воспринимает усилия, создаваемые шарнирным моментом аэродинамических сил, действующих на орган управления. Так как моменты от аэродинамических сил не передают­ся на колонку, штурвал и педали, то для имитации этих моментов в систему управления введены загрузочные устройства, создающие усилия при отклонении колонки, штурвала и педалей.

Искусственная загрузка командных рычагов позволяет получить наилучшие динамические характеристики управляемости самолета независимо от значения шарнирного момента.

Гидроусилитель (бустер) отклоняет соответствующий орган управления со скоростью до 50°/с с чрезвычайно малым запаздыванием. Требуется приложение не­больших усилий со стороны пилота для перемещения золотника гидроагрегата, при этом реакция органа управления не передается на рычаги управления. Усилия «в сторону пилота» гасятся инерционностью проводки, ее трением и механиз­мом, имитирующим нагрузку от шарнирного момента.

Механическая часть канала управления рулем высоты показана на рис. 2.6.

Схема управления рулем высоты 5 обеспечивает управление по тангажу на всех режимах полета как от пилота, так и от бортовой системы управления (рис. 2.6). При управлении от пилота перемеще­ние колонки 1 через тягу 2 управления передается на золотник руле­вого привода 4. Усилия на колонке управления создаются загружателями 10 и 11. Для снятия созданного ими усилия используется электромеханизм триммерного эффекта 9, уменьшающий обжатие пружины. Сформированные сигналы от датчика угловой скорости 7 электромеханизма 9 и пилота поступают на вычислитель и усили­тель 8 сервопривода электрогидравлического рулевого агрегата 6, где происходит их обработка. Электрический сигнал преобразуется в механическое перемещение проводки управления.

 

 

1 – штурвальная колонка

2 – тяги проводки управления

3 – золотниковый механизм бустера

4 – бустер – гидроусилитель, раздельные для левой и правой секций руля высоты

5 – руль высоты, секции на левой и правой консолях стабилизатора

6 – рулевой агрегат, сервопривод

7 – ДУС, датчик угловой скорости тангажа (демпфер тангажа)

8 – усилитель сервопривода

9 – механизм триммера руля высоты

10, 11 – механизмы загрузки штурвальной колонки

 

Автоматизированная бортовая система управле­ния самолетом Ту-154 – АБСУ-154

Электромеханический комплекс системы управле­ния самолетом Ту-154Б включает в себя системы продольного и по­перечного управления, автоматическую бортовую систему управле­ния рулем направления, системы управления воздушными тормозами — интерцепторами, закрылками и предкрылками.

Система бортового управления обеспечивает штурвальное и автоматическое управление во всем диапазоне режимов полета — от взлета допосадки.

Конструкция проводки управления и рулевых механизмов и приводов реализует (см. рис. 2.4 и 2.6):

– ручное (штурвальное) управление с улучшением показателей управляемости;

– автоматическую стабилизацию заданных режимов полета;

– автоматическое траекторное управление.

 

 

	Таблица 1. Перечень комплексных требований к функциям АБСУ современного ЛА
1.	обеспечение заданных характеристик устойчивости и управляемости самолёта на всех режимах полёта от влёта до посадки; (в т.ч. при штурвальном управлении)
2.	автоматическую стабилизацию углового положения самолёта относительно трёх основных осей устойчивости;
3.	автоматическую стабилизацию заданной барометрической высоты полёта, приборной скорости или числа М;
4.	управление по крену и тангажу (координированный разворот, набор высоты и снижение) от рукояток на пульте управления;
5.	автоматическое управление заданным курсом самолёта (режим ЗК) при ручной выставке заданного курса кремальерой на ПНП;
6.	автоматическое управление самолётом в боковой плоскости при маршрутном полёте по радиомаякам VOR или по сигналам НВУ-Б3; (вывод на заданную навигационным вычислителем линию пути и стабилиза­цию на ней)
7.	директорный или автоматический режим управления самолётом при заходе на посадку в соответствии с нормами матеоминимума II категории ИКАО (по курсу - с начала четвёртого разворота, по продольному каналу - с момента "захвата" глиссады);
8.	автоматическую стабилизацию и управление приборной скоростью полёта с помощью автомата тяги на предпосадочном маневре и при заходе на посадку;
9.	автоматический уход на второй круг с высоты не ниже 30 метров;
10.	индикацию основных навигационно-пилотажных параметров и предупредительно-командную сигнализацию об отказах (визуальную, световую и звуковую);
11.	автоматический предполётный и полётный контроль с указанием отказавшего подканала или режима, а также автоматическое переключение на резервный исправный режим работы.

 

В таблице представлены обобщенные описания функционала комплексных систем, по каждой строке можно сформулировать конкретные требования и детализировать решаемые задачи. Например, для выполнения требований строки 1 необходимо рассмотреть три канала управления (тангаж, крен, рысканье) и соответственно разработать три подсистемы управления, со своим набором конкретных функций.

Количество функций в системах управления самолетов (приближенно, данные ЦАГИ):

Ан-148 – 12, Ил-96 – 15, Ту-204 – 25, Sukhoi Superjet 100 – 32.

Приблизительно столько же функций (около 30) реализовано в Boeing-787 и Airbus-380.

 

Литература

1. Основные геометрические и аэродинамические характеристики самолетов и ракет: Справочник / В. Г. Микеладзе, В. М. Титов, 143 с. ил. 21 см, 2-е изд., перераб. и доп. М. Машиностроение 1990

2. Михалев И.А. и др. Системы автоматического управления самолетом. "Машиностроение", Москва 1971, стр. 464.

3. Михалев И.А., Окоемов Б.Н., Павлина И.Г., Чикулаев М.С., Киселев Ю.Ф. Системы автоматического и директорного управления самолетом. М., Машиностроение, 1974, 232 с.

4. Михалев И.А., Окоемов Б.Н., Чикулаев М.С.Системы автоматического управления самолетом. М: Машиностроение, 1987 год, 240 стр.

5. Шумилов И.С. Системы управления рулями самолетов. 2009. 469 с. ISBN 978-5-7038-3085-7

6. Лигум Т.И., Скрипниченко С.Ю., Шишмарев А.В. Аэродинамика самолета Ту-154Б. – М.: Транспорт, 1985. 263 с.

7. Системы управления летательных аппаратов. Под ред. Воробьева В.В. М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008, -203 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

П.1. Автопилот Циолковского

Первую в мире схему автоматического управления дирижаблем разработал наш соотечественник, знамени­тый ученый К. Э. Циолковский в 1898 г.

Принципиальная схема автоматического управления, разработанная К. Э. Циолковским, состоит из всех основ­ных элементов, которые имеются в современных авто­пилотах «непрямого» действия. В таких автопилотах чув­ствительный элемент воздействует на управление не непосредственно, а через специальную машину, приводя­щую в движение орган управления дирижаблем или самолетом.

 

На дирижабле нужно иметь источник электрического тока, электромотор, для отклонения руля высоты и чувствительный элемент в виде маятника с переключателями цепи электрического тока (рис. 31). В случае «ухода» дирижабля из горизонтального по­лета маятник отклоняется. Переключатель соединяет соответствующие контакты. От источников питания ток проходит в электромотор, приводя его в движение; элект­ромотор через зубчатую передачу перемещает руль вы­соты в положение, при котором дирижабль возвращается в горизонтальное положение (рис. 31).

Конструкции подобных автопилотов относятся к группе маятниковых.

Румпельный автопилот яхты (флюгерный, прямого действия)

П.2. Аэродинамическое качество некоторых летательных аппаратов и птиц

(ru.wikipedia.org›Аэродинамическое качество)

ЛА	Первый полёт	k	Режим полёта	Тип
«Буран»		1,3	на гиперзвуке	Многоразовый космический ЛА
Вингсьют		2,5		Костюм-крыло из ткани
Воробей				Птица семейства воробьиных
Аэроспасьяль-BAC Конкорд		4,35	на посадке	Сверхзвуковой пассажирский самолёт
«Буран»		5,6	на дозвуковом режиме	Многоразовый космический ЛА
Планёр Райт		6,5	планирование	Ранний ЛА
Аэроспасьяль-BAC Конкорд		7,14	М=2	Сверхзвуковой пассажирский самолёт
Ньюпор 17		7,9	макс.	Истребитель-биплан
МакДоннелл Дуглас F-4E Фантом II		8,58	макс.	Палубный истребитель третьего поколения
Су-24		9,5	макс.,М<1	Фронтовой бомбардировщик с изменяемой стреловидностью крыла
Серебристая чайка				Морская птица семейства чайковых
Ан-2			макс.	Биплан общего назначения
МиГ-29		10,4	макс., М=0,75	Фронтовой истребитель 4 поколения
Су-27		11,6	макс.	Тяжелый истребитель 4 поколения
Ту-16		~14	макс.	Дальний реактивный бомбардировщик
Ил-62М		14,5	макс.	Узкофюзеляжный пассажирский самолёт
Дуглас DC-3		14,7	макс.	Самый массовый пассажирский/транспортный самолёт
Боинг 737			макс.	Узкофюзеляжный пассажирский самолёт
Як-42			макс. (при малых М)	Региональный пассажирский самолёт
Ил-76Т		15,5	макс.	Военно-транспортный самолёт
Ту-154М		16,5	макс.	Узкофюзеляжный пассажирский самолёт
Aeros Combat L		16,7	макс.	Безмачтовый дельтаплан
Ту-204			макс.	Узкофюзеляжный пассажирский самолёт
Ан-225			макс.	Сверхтяжёлый дальний транспортный самолёт
Ту-160		>19	макс.	Стратегический бомбардировщик с изменяемой геометрией крыла
Альбатрос				Морская птица отряда буревестникообразных
М-55		~30	планирование	Высотный самолёт М-55 «Геофизика»
Schleicher ASG 29-18m			макс.	Серийный планёр
Schleicher ASH 25			макс.	Двухместный серийный планёр

 

 

Механизация крыла

 

 

 

Предкрылок

 

Интерцептор

Схема обтекания

Boeing-747 с выпущенными закрылками и предкрылками

 

Назначение САУ-ЛА и АП

Целью данного курса является ознакомление с наиболее общими принципами определения конструктивных параметров элементов и агрегатов автоматических устройств, применяемых для управления летательными аппаратами, в первую очередь - автопилота.

Переходя к предмету курса, следует в первую очередь отметить, что основным назначением САУ-ЛА является автоматическое управление полетом ЛА. При этом под автоматическими устройствами подразумеваются разнообразные САУ ЛА (САУ ЛА – система автоматического управления летательного аппарата), обеспечивающие в том или ином объеме автоматизацию управления полетом.

Автопилот – это система автоматического управления летательного аппарата (ЛА), предназначенная для перемещения органов управления ЛА с целью обеспечения требуемых значений параметров полета (назначение АП в основном соответствует функциям пилотирования, которые выполняет летчик).

Многообразие классов ЛА (ЛА – летательный аппарат) и еще большее многообразие функций САУ ЛА, приводит к необходимости дифференцированного подхода к вопросам расчета и проектирования в каждом конкретном случае. Естественно, что в рамках одного курса полностью охватить все многообразие конструкций невозможно, поэтому многие типовые элементы (усилители и другие электронные устройства) рассматриваться не будут. Основное внимание при изучении курса будет уделено влиянию конструктивных параметров элементов АП на динамические характеристики системы ЛА-САУ.

Они начали появляться одновременно с появлением первых управляемых ЛА – самолетов. В развитии САУ управления полетом могут быть отмечены три этапа:

1. Использование регуляторов прямого (или непосредственного) действия – в настоящее время представляют в основном исторический интерес (пример - газовый редуктор-регулятор давления, флюгерный и маятниковый АП, см. Приложение).

2. Использование регуляторов непрямого действия (автопилот Циолковского для дирижабля, 1898 год, и до 1940 г.), в основном одноканальных, в которых чувствительный элемент воздействует на регулирующий орган объекта регулирования не непосредственно, а через усилительно-преобразовательное устройство. Необходимые для перемещения регулирующего органа усилие и мощность, пропорциональные размеру управляющего воздействия, развиваются за счёт отдельного источника энергии.

3. Использование многоканальных и многофункциональных САУ.

Схема автоматического и совмещенного управления ЛА

Для автоматического управления необходимо построить замкнутый контур, рис. 1.

Объединение воздействий летчика и САУ на ЛА может осуществляться двумя способами:

- непосредственное суммирование перемещения штурвальной колонки летчиком и сигнала от САУ специальным механическим агрегатом (электрически, летчик оперирует джойстиком и сигнал управления подается на сервопривод);

- директорное (полуавтоматическое) управление, САУ формирует сигнал рассогласования относительно заданной траектории и этот сигнал подается на специальный командный прибор – индикатор, а летчик перемещает штурвальную колонку и полностью управляет рулями, стремясь удержать стрелку в центральном (нулевом) положении.

Полностью автоматическое управление полетом осуществляется без вмешательства, но под контролем экипажа, а также на беспилотных ЛА.