4.7. Моделирование полуавтоматических и автоматических

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Значительное расширение диапазона скоростей и высот полета сопровождается изменением характеристик устойчивости и управляе­мости современных летательных аппаратов и их динамических свойств, что приводит к необходимости повышения роли полуавтоматических и автоматических систем управления. Как известно, при полуавтоматическом пилотировании основные управляющие воздей­ствия, замыкающие контур управления, осуществляет пилот с по­мощью «ручных» систем, при этом часть функций выполняют автоматические устройства.

При описании полуавтоматических систем управления будем рассматривать только такие автоматические устройства, которые изменяют динамические свойства самолета, а именно: автоматы демпфирования, автоматы устойчивости, системы директорного управления самолетом. Полуавтоматические и автоматические системы управления состоят из измерительной части (датчи­ков), вычислителей (аналоговых или цифровых), исполнитель-

ных органов (рулевых машин, рулевых агрегатов управления и др.) и указателей (в системах директорного управления).

В тренажёрах наиболее часто применяются физические, полунатурные и математические модели полуавтоматических и автома­тических систем управления. Для обеспечения адекватности стати­ческих и динамических характеристик используются датчики, уста­новленные на выходе соответствующих систем. Работа вычислителей и исполнительных органов в тренажере может быть воспроизведена несколькими путями:

с помощью математического моделирования законов управле­ния или передаточных функций блоков систем с линейными и нелинейными звеньями;

за счет использования реальных блоков и физических моделей либо имитаторов реальных блоков;

моделированием выходных характеристик системы в целом.

Измерители (датчики) входных сигналов автоматических уст­ройств полуавтоматических систем и систем автоматического управ­ления (САУ) обладают ограничениями на диапазоны изменения входных параметров. На тренажере же параметры, как правило, вычисляются в диапазоне изменения входных величин, значительно большем, чем у реальных датчиков; кроме того, качество сигналов отличается от реальных условий. Следовательно, для связи тренаже­ра с имитаторами полуавтоматических и автоматических систем возникает необходимость в преобразовании и ограничении сигналов, поступающих из других систем.

Иногда при моделировании САУ и демпферов учитываются дина­мические свойства измерителей углов и угловых скоростей. В этом случае датчики угловых скоростей (ДУС) часто представляют коле­бательными звеньями второго рода с передаточной функцией

Функционирование вычислительной части, сопряженной с испол­нительными органами автоматов полуавтоматических систем, либо работающих в автоматических системах, можно воспроизвести при моделировании закона управления или регулирования, описывающе­го действие системы с известной степенью приближения. Допустим, чтозакон управления автопилота с изодромной обратной связью т канала управления рулем высоты представлены в виде

Тогда структурная схема системы моделирования работы авто­пилота по каналу тангажа, соответствующая этому закону (4.56), будет включать: преобразователи сигналов угловой скорости, угла тангажа и высоты, имитатор корректора передаточных чисел, усили­тельный, интегрирующий контуры задатчика и имитатор рулевой машины с характеристикой интегрирующего звена. Схема моделиро­вания значительно усложняется, если в модели будут учтены реальные характеристики элементов системы.

При моделировании автоматов демпфирования (демпферов) сле­дует учитывать, что угол поворота руля самолета характеризуется суммой углов его отклонения летчиком и демпфером. Так, если демпфер установлен в канале управления стабилизатором, то общий угол отклонения стабилизатора

Если демпфер имитируется с помощью полунатурной физической модели, то в ней используются усилитель и рулевая машина реаль­ного демпфера. Вместо датчика угловой скорости используется его имитатор, управляемый выходным устройством системы решения соответствующего уравнения моментов (тангажа,- крена, рыскания) в зависимости от того, в каком канале управления установлен демпфер.

При математическом моделировании демпферов составляется уравнение его закона регулирования. Использование математи­ческих моделей систем управления самолетом позволяет наиболее просто осуществить и имитацию работы демпферов, причем могут быть воспроизведены не только закон регулирования демпфера, но и эффекты нагрузки на ручке управления.

Математическое моделирование позволяет исключать применение элементов реального демпфера и построить сравнительно простую схему решения уравнения закона регулирования. При этом, однако, возникает необходимость в создании специальных схем для имита­ции настройки и регулировки демпфера, а также устройств для вос­произведения нагрузки и хода органов управления при имитации работы демпфера. Однако удовлетворить условиям максимального приближения характеристик моделей к динамике реальных элементов при математическом моделировании весьма трудно. Во многих слу­чаях это приводит к значительному усложнению систем, входящих в состав пилотажно-навигационных комплексов современных само­летов.

Расширение задач, решаемых автоматическими и полуавтомати­ческими устройствами комплексов, привело к необходимости созда-

ния сложных вычислителей с выполнением многих логических опе­раций. Поэтому при моделировании систем директорного, дистан­ционного и автоматического управления все большее применение находят полунатурные физические модели, в которых используются основные агрегаты и блоки реальных систем с добавлением соот­ветствующей коммутационной и преобразующей аппаратуры.

Так, при моделировании автопилота с параллельным включением рулевых машин и регулированием по углу и угловой скорости па­раметра при жесткой отрицательной обратной связи в системе моделирования предусматриваются три самостоятельных канала уп­равления: рулем высоты, элеронами и рулем направления.

Такой имитатор автопилота обеспечивает привитие навыков рабо­ты при автоматическом пилотировании и управлении самолетом с помощью реального автопилота на режимах:

стабилизации самолета относительно трех его осей; автоматической стабилизации высоты полета; автоматического полета с выдерживанием курса по сигналам курсовой системы; выполнения координированных разворотов с управлением креном от рукоятки «РАЗВОРОТ»; выполнения планирования и кабрирования от рукоятки «СПУСК — ПОДЪЕМ».

Из комплекта реального автопилота в состав имитатора входят: пульт управления, блок управления, блок связи с курсовой систе­мой, усилители рулевых машин, рулевые машины, распределитель­ная коробка, блок реле, кнопки быстрого и аварийного отключе­ния автопилота.

В качестве чувствительных элементов используются датчики параметров систем моделирования динамики полета и курсовой сис­темы. Датчики в основном воспроизводят статические характерис­тики чувствительных элементов автопилота. В основу работы ими­татора автопилота могут быть положены законы управления

где «з»— индекс заданных значений.

Поэтому на мостовые потенциометрические схемы усилителей автопилота из системы моделирования динамики полета подаются сигналы, пропорциональные параметрам а из имитатора курсовой системы — курс самолета . Управ­ление имитируемым самолетом при включенном автопилоте осу­ществляется ручками «РАЗВОРОТ» и «СПУСК — ПОДЪЕМ» на пульте управления. Сигналы от ручки «РАЗВОРОТ» подаются одновременно в каналы руля направления и элеронов. Сигналы

с потенциометра ручки «СПУСК — ПОДЪЕМ» подаются в канал руля высоты. В остальном схема имитатора работает аналогично схеме реального автопилота, однако рулевые машины вместо управ­ляющих поверхностей перемещают датчики положения рулей. Сигна­лы, пропорциональные параметрам , поступают в схемы решения угловых скоростей , системы моделирования динамики полета.

Рассмотрим теперь систему моделирования пилотажной команд­ной системы, которая относится к полуавтоматическим системам директорного управления и предназначается для наземного обуче­ния экипажа комплексу операций, выполняемых при пользовании полуавтоматическими системами. Система моделирования пилотаж­ной командной системы для обеспечения выполняемых функций использует сигналы, получаемые в системах моделирования дина­мики полета, радиосредств ближней навигации, курсовой системы и других бортовых систем тренажера.

Структурная схема моделирования пилотажной навигационной системы обычно включает имитаторы бортовых систем самолета и реальные блоки. Сигналы на вход имитаторов централи скорости и высоты (ЦСВ), курсовой системы (КС), центральной гировертика­ли (ЦГВ) и датчика угловой скорости (ДУС) поступают из имита­тора динамики полета, а на имитаторы радиосредств ближней нави­гации (РСБН), навигационного вычислительного устройства (НВУ) и радиолокационной станции (РЛС) — из системы записи маршрута полета (СЗМП). С пульта инструктора на имитатор радиолинии задаются сигналы курса самолета. В состав реальных блоков системы моделирования входят задатчик высоты (ЗВ), пульт управ­ления (ПУ), соединительная коробка (СК), табло сигнализации (ТС) —пилота и штурмана, усилитель (У), вычислитель аналого­вого типа (В), блоки интегрирования (БИ), комбинированные блоки (БК), командно-пилотажный прибор (КПП) и навигационно­пилотажный прибор (НПП), расположенные в кабине тренажера. Показания аналогичных приборов на пульте инструктора часто обес­печиваются вторым комплектом реальных блоков, которые подклю­чаются к имитаторам и системам тренажера.

, Сигналы управления в имитаторах пилотажных командных сис­тем, сформированные в вычислителе по алгоритмам реальных сис­тем, после усиления поступают на приборы КПП и НПП. В командно­пилотажном приборе с помощью командных стрелок индицируются сигналы . Кроме того, в приборе индицируются углы тангажа и крена, сигналы и отклонения от заданной высоты АН и угол скольжения. В навигационно-пилотажном приборе ин­дицируются: магнитный курс мк, заданный курс , курсовой угол радиостанции (КУР), положение самолета относительно равносиг­нальных зон , , момент входа самолета в зону курсового и глиссадного маяков и другие параметры. Исходя из этого, с ими­таторов бортового оборудования самолета в соединительную короб­ку системы моделирования должны подаваться сигналы, пропор-

циональные параметрам: высоте Н, курсу мк, углам , угловой скорости , отклонениям от равносигнальных зон , , азимуту (А), углу доворота до цели , ошибкам отклонения от цели в гори­зонтальной и вертикальной плоскостях г и в, а также заданным значениям курса и высоты полета Н3. В вычислительном устрой­стве системы моделирования для реализации алгоритмов управления на различных режимах работы реальной системы дополнительно определяются отклонения от заданных значений линии горизон­тального прямолинейного полета z, азимута А, высоты траекто­рии и курса .

Примеры моделирования автопилотов, пилотажных командных систем и систем управления с использованием реальных блоков показывают, что вычислительные и управляющие части имитаторов практически мало отличаются от реальных систем. Однако условия работы реальных блоков в тренажере отличаются от усло­вий реального полета, ибо в полете исполнительные органы систем полуавтоматического и автоматического управления испытывают воздействие нагрузки от управляющих поверхностей, а на тренажере такая нагрузка практически равна нулю.

При моделировании (особенно систем автоматического управле­ния с аналоговыми вычислительными устройствами) возникают труд­ности при настройке и согласовании реальных блоков с системами тренажера из-за возникновения неустойчивой работы замкнутого контура «тренажер — имитатор САУ». А использование в имита­торах реальных систем с трех-четырехкратным резервированием хотя и повышает вероятность функционирования имитатора САУ, но в то же время приводит к уменьшению среднего времени наработ­ки на отказ тренажера в целом.

Для устранения отмеченных недостатков адекватное моделиро­вание полуавтоматических и автоматических систем управления можно осуществить путем воспроизведения только выходных харак­теристик реальных систем. Временное характеристики моделируемых систем здесь являются исходной информацией для построения модели. Поскольку эти характеристики соответствуют в общем случае весьма сложным операторным выражениям, то задача построения моделей будет связана с аппроксимацией (упрощением) исходных операторных выражений при сохранении максимальной динамиче­ской точности звеньев моделируемых систем.

В итоге должны быть получены простые операторы преобразо­вания входных сигналов при условии максимальной близости выход­ных сигналов к некоторым реальным величинам, которые считаются эталонными. Численные методы прикладной математики позволяют сложные реальные системы заменить эквивалентными системами с более простыми передаточными матрицами. Тогда в системах моде­лирования САУ, пилотажных командных систем, демпферов можно использовать эквивалентные модели, состоящие из более простых динамических звеньев.