4.6. Моделирование систем управления летательным аппаратом

Формирование профессиональных навыков у летного состава на тренажере во многом зависит от полноты и точности воспроизведе­ния характеристик сложной системы управления, устанавливаемой на современных ЛА. Сегодня система управления представляет собой, по существу, комплекс, объединяющий целый ряд устройств, обеспечивающих процесс управления движением ЛА в воздухе и на земле, улучшающих его устойчивость и управляемость, изме­няющих режим работы функциональных систем и даже конфигу­рацию.

Комплекс управления современного ЛА состоит из ряда подсистем, функционирующих в определенной связи друг с другом. Условно, исходя из целевого назначения, подсистемы управления можно подразделить на две группы, одна из которых улучшает устой­чивость или обеспечивает изменение параметров ЛА в траекторном движении и вращение вокруг центра масс, вторая изменяет конфигурацию на различных этапах движения.

К первой группе отнесем подсистемы:

ручного, полуавтоматического и автоматического управления самолета, изменяющего положение (углы отклонения) рулей, элеронов, поворотных стабилизаторов, килей и т. п.; улучшения устойчивости и управляемости; управления авиадвигателем (включая непосредственное уп­равление тягой и автоматическое управление входными и выходными устройствами); управления торможением колес; управления поворотом переднего колеса шасси.

Ко второй группе можно отнести подсистемы: уборки и выпуска шасси;

уборки и выпуска посадочной механизации (закрылков, пред­крылков, интерцепторов, спойлеров); управления тормозными щитками; выпуска тормозных парашютов; изменения формы ЛА (отклонение носовой части фюзеляжа при посадке, изменение угла стреловидности крыла и т. п.).

В общей системе управления самолета значительная роль отво­дится неавтоматическим системам, позволяющим пилоту осуществлять пилотирование не только в достаточно простых условиях, но и на наиболее ответственных этапах полета, при отказах обору­дования и в особых ситуациях. На современных самолетах неавто­матическое управление рулями по каналам тангажа, курса и крена

осуществляется с помощью систем ручного (прямого или бустерного) управления. Основными элементами неавтоматических систем являются командные рычаги управления и проводка, которая в системах прямого ручного управления непосредственно соединена с рулями, а в бустерных системах управления — через гидроуси­литель (бустер). Бустеры состоят из распределительного и испол­нительного устройств.

Неавтоматические системы управления самолета включают в себя два вида обратных связей: по положению (регулируемому пара­метру) и по управляющему воздействию (усилиям). Заметим, об­ратная связь по положению позволяет пилоту сопоставить заданные значения параметров полета с их действительными значениями, определяемыми по пилотажным приборам (индикаторам положения) самолета, естественному горизонту и наземным или небесным ориен­тирам. Обратная связь по управляющим воздействиям (усилиям) в системах ручного управления является важным дополнительным источником информации. Однако этот канал обратной связи зависит от трения в элементах кинематической проводки, величины скорост­ного напора и угла отклонения руля. В полете она в основном определяется шарнирным моментом руля Мш. Усилие на командном рычаге управления — штурвале, ручке управления и педалях — Ppi в этом случае может быть определено из выражения:

В системах бустерного управления обратная связь по управляю­щим воздействиям (усилиям) осуществляется через командные ры­чаги от загрузочных механизмов (ЗМ) или от автоматов регули­рования усилий (АРУ) в зависимости от режима полета, характери­зуемого высотой Н, числом М и скоростным напором q. В таких системах ручка управления (штурвал) или педали связаны с золот­ником гидроусилителя; усилие, необходимое для его управления, весьма невелико и не зависит от угла отклонения руля и скоростного напора. Пилот лишен важной информации в виде усилий, необходи­мой для обеспечения хорошего качества пилотирования. Чтобы устра­нить этот недостаток, в системах управления применяют устройства для создания искусственных усилий на рычагах управления, пропор-

циональных углам отклонения рычагов и изменяющихся в зависи­мости от скоростного напора и высоты полета.

Для имитации усилий на командных рычагах управления, про­порциональных величине их отклонения, на ЛА используются загру­зочные механизмы (пружинные загружатели). Однако такие загружатели имитируют нагрузки только в зависимости от угла откло­нения руля и не учитывают изменения нагрузки от скоростного напора и высоты полета. Для имитации этого явления применяются автоматы регулирования загрузки или усилий на рычагах управле­ния. Такой автомат представляет собой следящую систему, которая изменяет плечи в проводке управления по сигналам датчиков скорост­ного напора и высоты. Автоматы регулирования усилий включаются в систему управления рулем высоты или стабилизатором, а в ряде случаев и в боковой канал управления. В них сигналы от датчиков скоростного напора и высоты после преобразования и усиления в управляющем блоке поступают в исполнительный блок. В результа­те изменяется длина плеч в передачах к загружателю и к гидро­усилителю, соответственно этому изменяются и усилия на ручке управления.

Усилие на ручке (штурвале), созданное пружинным загружателем, при продолжительном полете с отклоненными органами уп­равления утомительно для пилота. Величина усилия может быть уменьшена с помощью триммерного эффекта, который может быть достигнут аэродинамическим путем или с помощью специального электромеханизма.

При моделировании неавтоматических систем управления в пило­тажных и комплексных тренажерах для обеспечения рассмотрен­ных выше особенностей следует наиболее полно учитывать харак­теристики этих систем. При отсутствии в тренажере хотя бы одного из видов обратной связи невозможно правильное формирование навыков пилотирования.

К имитаторам неавтоматических систем управления в тренажерах предъявляются жесткие требования по обеспечению реальных ощу­щений пилотирования самолета у пилота. Они должны воспроиз­водить нагрузки на командных рычагах в полете, изменение уси­лий в зависимости от высоты Н, скорости V и скоростного напора q, снятие усилий с помощью механизма триммерного эффекта и др. Должны в обязательном порядке имитироваться и более тонкие эффекты, например изменение усилий на рычагах управления от су­хого трения; стопорение или уменьшение хода ручки управления и педалей при отключении авиадвигателя и насосной станции, люфт в ходах управления, введение других отказов.

Имитаторы неавтоматических систем управления в тренажере преобразуют перемещение командных рычагов в электрические сиг­налы, пропорциональные углам отклонения рулей: высоты (ста­билизатора фст), направления и элеронов по законам:

По конструктивному исполнению имитаторы неавтоматических систем делятся на механические и комбинированные. Создание усилий на командных рычагах в механических имитаторах систем ручного и бустерного управления осуществляется реальными загру­зочными механизмами (пружинными загружителями), обычно ис­пользуемыми в системах управления самолета.

Действие неавтоматической системы управления в тренажере имитируется с помощью модели, которая содержит три канала: руля высоты (стабилизатора), руля направления и элеронов. Основ­ными элементами такой модели являются:

реальные командные рычаги управления (ручка управления или штурвал и педали);

реальные пружинные загружатели;

механизмы имитации сухого трения;

имитатор механизма триммерного эффекта;

датчики сигналов органов управления;

механизм заклинивания системы управления;

пружинные имитаторы трения;

масляные демпферы.

Из-за малых размеров кабины протяженность механической проводки системы управления на тренажере меньше, чем на само­лете; кроме того, в ней отсутствуют гермовыводы и уменьшено число шарнирных соединений. Поэтому для создания в тренажере силы трения, соответствующей силе трения реальной проводки само­лета, применяются специальные пружинные имитаторы трения, а инерционные характеристики системы управления воспроизводятся с помощью масляных демпферов, позволяющих изменять демпфирую­щие свойства каждого канала управления путем регулировки пере­пускного отверстия демпфера.

Существовавшие до последнего времени механические имитато­ры неавтоматической системы управления недостаточно полно учиты­вали массу проводки, демпфирование, проявление трения в проводке, люфты, а также влияние воздушной скорости, высоты, скоростного напора и других факторов. В результате ощущения усилий на органах управления имитаторов механического типа в тренажере несколько отличались от реальных, что особенно было заметно при выдержи­вании на тренажере параметров полета в узкой рабочей области. Для повышения эргономической адекватности тренажера и более полного воспроизведения характеристик реальных усилий на органах управления в моделях систем следует полнее учитывать сум­марную массу проводки, перемещаемую пилотом, вязкое и сухое трение, жесткость пружинных загружателей, предварительный натяг пружин и другие параметры, которые должны быть приведены к органам управления по кинематической схеме системы управления самолета.

Качество имитации усилий на органах управления в тренажере можно улучшить, если использовать математические модели неавто­матических систем с гидравлическими или электромагнитными ис­полнительными устройствами, получившие название комбиниро­ванных имитаторов.

Безбустерная система управления самолета с учетом жесткости несиловой проводки может быть представлена механической мо­делью, которая может быть описана системой двух уравнений:

Решая систему уравнений (4.51) и (4.52) на аналоговом или цифровом вычислителе, получаем сигнал, пропорциональный откло­нению руля с учетом статических и динамических характеристик неавтоматической системы управления.

Этот сигнал можно подать на имитаторы нагрузок с гидрав­лическими или электромагнитными исполнительными устройствами.

Структурная схема комбинированного имитатора с гидравличес­ким исполнительным устройством обычно состоит из датчиков усилий, скорости и положения, блока моделирования динамики и кинемати­ки системы управления самолета, гидроцилиндра с агрегатом управ-

ления и датчиком положения выходного штока. Для ограничения скорости перемещения штока и получения необходимых динамичес­ких характеристик в схеме используется датчик скорости переме­щения выходного штока.

Имитаторы нагрузок гидравлического типа обладают большой гибкостью и позволяют имитировать все эффекты, свойственные реальным системам управления. Они обладают достаточной универ­сальностью и обеспечивают широкие возможности по моделированию бортовых систем улучшения устойчивости и управляемости, а также систем автоматического управления. Существенным недостатком их является значительная сложность.

Полнота математического описания будет зависеть от типа лета­тельного аппарата и предъявляемых требований к тренажеру. Одна­ко вполне очевидно, что динамика восприятия пилотом усилий при пилотировании тренажера может подбираться путем изменения коэф­фициентов модели.

Реализация в авиационных тренажерах математических моделей систем управления с учетом динамических свойств проводки управ­ления имеет существенное преимущество перед имитаторами механи­ческого типа. Создание электрогидравлических имитаторов систем управления позволило повысить реальность имитируемого полета, что отразилось на качестве и эффективности авиационных тренажеров. Отдавая должное большой роли имитации систем управления в обес­печении высокой летной оценки, целесообразно применять специали­зированные быстродействующие цифровые вычислители для модели­рования динамических свойств системы управления. Созданию эф­фективных математических моделей систем управления и методам их реализации в тренажеростроении уделяется особое внимание.