Лекция 13.

1. Автоматическое управление траекторией

Все общие режимы полета, за исключением взлета и посадки, программируются в вычислителе навигационного комплекса. С момента включения автоматики, управление движением ВС производится по отклонениям от программы полета, определяемым в навигационном комплексе. Система траекторного управления вырабатывает на основе этих отклонений команды в системе уровня II в виде заданных значений углов тангажа, крена, курса (или перегрузок) и заданного режима работы двигателя. Эти команды отрабатываются системами стабилизации путем соответствующих воздействий на рули и рычаг управления двигателем, осуществляемых с помощью приводов. По такой же схеме происходит управление и в режимах автоматического взлета и посадки. Только здесь все функции управления возлагаются на автоматику взлета и посадки. При автоматическом управлении полетом пилот выполняет функции включения тех или иных систем и общего контроля за ходом выполнения операции.

2. Управление траекторным движением по командному прибору

Управление пилотом производится вручную – посредством воздействия на рычаги управления и сектор газа. Стратегия управления траекторным движением вырабатывается при этом системами уровня III. Так же, как и в рассмотренном выше способе управления, требуемую условную ориентацию ВС определяют здесь системы целенаправленного управления траекторией. Однако, приведение ВС в заданное угловое положение (отработку заданных углов тангажа и крена или перегрузки и крена) теперь осуществляет пилот, а не системы автоматической стабилизации. Требуемое управление производится с помощью командного прибора системы индикации. На стрелки командного прибора подаются сигналы рассогласования, и в задачу пилота входит обнуление этих сигналов путем соответствующего перемещения рычагов управления. Решение задачи стабилизации вручную пилотом облегчается функционированием СШУ, в частности СУУ, а при необходимости обеспечения устойчивости по скорости может включиться автомат тяги.

3. Автоматическая стабилизация параметров движения

При этом способе пилотирования стратегия управления траекторией центра масс (ЦМ) ВС вырабатывается пилотом. Ориентируясь по пилотажно-навигационным (не командным) приборам систем индикации, пилот сообразно обстановке и этапу полета вызывает тот или иной из режимов стабилизации, выполняемых системами уровня II и автоматом тяги. Управление ВС по намеченной пилотом логике производится посредством его манипуляций с задающими устройствами (рукояткой, задатчиком автомата тяги, кнопкой вызова режимов и т.д.). Автоматика функционирует в составе систем уровней I и II.

В течение полета приходится неоднократно переходить от режима автоматического управления к штурвальному и наоборот. Эти «переходы» требуют адаптации пилота. С целью упрощения пилотирования иногда совмещают различные виды управления. Такая возможность может использоваться на переходных фазах управления и для исправления работы САУ с помощью СШУ. Такой тип управления, при котором пилот управляет рычагами управления совместно с работой САУ, получил название «совмещенное управление».

4. Полуавтоматическое управление по пилотажно-навигационным приборам или земным ориентирам

При этом способе управления автоматика выполняет функции только улучшения пилотажных характеристик ВС (системы уровня I), а пилот управляет ВС с помощью СШУ, решая все задачи управления полетом. Автоматика выполняет при этом только функцию улучшения пилотажных характеристик ВС (системы уровня I).

8.1.Улучшение пилотажных характеристик в продольном движении

Улучшение пилотажных характеристик осуществляется автоматами продольного управления, путевой устойчивости и их составными частями: демпферами тангажа, крена и рыскания. Системы автоматического управления носят многоконтурный характер с различными перекрестными связями и с целью упрощения исследований обычно рассматриваются сначала раздельно. Рассмотрим приближенный анализ работы демпфера тангажа в изолированном продольном движении.

Лекция 14. 8.1.1. Демпфер тангажа

Работа демпфера тангажа с электродистанционным управлением (ЭДУ) может быть представлена схемой (см.рис.44). Здесь обозначены: МТЭ – механизм триммерного эффекта; ДП – датчик перемещений штурвала; - передаточный коэффициент в системе продольного управления; - составляющая отклонения (стабилизатора) руля высоты, обусловленная отклонением штурвала пилотом; ДУС – датчик угловой скорости тангажа ;

- коэффициент усиления в законе управления демпфера тангажа (автомата)

= ; = - ; фактически - является передаточным коэффициентом демпфера и >0 для ВС нормальной схемы; ЭГП – электрогидравлический привод, объединяющий функции сервопривода (преобразователя электрических сигналов в механическое перемещение) и рулевого привода (непосредственно воспринимающего усилия от шарнирных моментов); наклонными черточками и уголками изображены степени резервирования конструктивных элементов САУ и электрических связей с целью повышения безопасности их функционирования, принимая во внимание, что в цифровых каналах управления степень резервирования обычно выше чем в аналоговых каналах; математической моделью движения ВС является передаточная функция (см.(5.24))

; - соединение (сумматор) с заштрихованной частью означает, что обратная cвязь отрицательная; W (p) - описывает динамику гироскопического датчика угловой скорости (ДУС), т.е. связь измеренных значений с истинными; ЭГП – представляется своей передаточной функцией , на вход которого подается сигнал , а на выходе линейное перемещение штока, управляющее стабилизатором, с целью создания потребного угла отклонения руля высоты .

При отклонении руля высоты выходная величина (p) связана с (p) соотношением , а (p) связана с (p) с помощью передаточной функции , т.е. в результате для последовательного соединения двух звеньев (ЭГП и ВС) имеем

или

(8.1)

Обозначим W (p) передаточную функцию «объекта» без автомата W (p)= (p)/ и

W (p) = (p)/ (p) - передаточную функцию регулятора W (p) = (p)/ (p)

.

Пусть разрезана обратная связь (как указано на рис. 44.б) и

(p)= (p)- (p);

(p)/W (p)= (p)- (p);

(p)/W (p) = (p)-W (p) (p).

Откуда

(p).

В результате получаем выражение для передаточной функции замкнутой системы в зависимости от передаточной функции объекта и передаточной функции регулятора с отрицательной обратной связью

. (8.2)

В частности при отсутствии регулятора ( =1) и наличии только одной отрицательной обратной связи соответствует передаточная функция разомкнутой системы ; ≡ и связь между замкнутой и разомкнутой системами выражается следующей зависимостью

= . (8.3)

Анализ устойчивости замкнутой системы, так же как и разомкнутой определяется характеристическим уравнением (см. раздел 5.3.2) для демпфера (на основании знаменателя (8.2))

1+ =0 (8.4)

Для динамической устойчивости движения ВС с демпфером при p=iω корни характеристического многочлена должны располагаться в левой полуплоскости, не находясь на оси ординат (корни не должны быть чисто мнимыми).

Здесь заметим, что в структурной схеме управления (рис.46.б) принято (-K ) в обратной связи, чтобы передаточная функция разомкнутой системы была положительной, учитывая что .

При отклонении руля высоты демпфером (при фиксированном штурвале) появится прирост коэффициента момента тангажа (индекс «изм» в дальнейшем будем опускать)

Δm = , (8.5)

где = .

Так как >0, <0, то автомат увеличивает демпфирование продольного движения (уменьшает | |). В результате при соответствующем выборе значения коэффициента в системе «ВС-демпфер» можно обеспечить требуемое изменение коэффициента демпфирования ξ (см. раздел 5.3.2) или степени устойчивости по перегрузке σ (см (2.26), (2.27)). Таким образом, демпфер является по существу простейшим автоматом, улучшающим устойчивость, но ухудшающим характеристики управляемости: X , R .

Степень статической устойчивости по перегрузке с фиксированным штурвалом с учетом работы демпфера изменится на величину (принимая во внимание, что: = , см. раздел 2.5).

Δσ = (8.6)

Степень статической устойчивости по перегрузке ВС с фиксированным штурвалом (σ_nф) при включенном демпфере тангажа станет равной

σ_nф=σ +σ =σ + , (8.7)

где σ определяется по формуле (2.26) или (2.27).

Лекция 15. 8.1.2. Автомат продольной устойчивости

С помощью демпфера тангажа можно благоприятно влиять на характеристики устойчивости ВС. Однако радикальное изменение этих характеристик (например, для статически неустойчивого ВС) с помощью только одной обратной связи по не представляется возможным. Эффективно влиять на характеристики устойчивости и управляемости ВС можно, если ввести дополнительно обратную связь по приращению перегрузки Δn_y, а также автоматически регулировать коэффициент передачи K = .

Автоматы с такой структурой называются автоматами продольного управления (АПУ).

Пусть:

, (8.8)

где Δn = n -1. Возможны и другие законы управления, например,

, (8.9)

который здесь рассматривается не будет. В (8.8) и (8.9) приняты обозначения

Δn = Δ / и Δα=Δ /C ; K , K , K - передаточные коэффициенты автоматов, положительные для ВС нормальной схемы (обычно n n ).

Рассмотрим функциональную и структурную схемы статического АПУ с законом управления (8.8).

Ставится задача определить K и K , при которых «ВС + АПУ» будет обладать заданными динамическими характеристиками.

При включении автомата, отклоняющего руль высоты по закону (8.8) возникает дополнительный момент тангажа, коэффициент которого равен (m = m ).

Δm = m =Δ m + K m .

Степень статической устойчивости по перегрузке с фиксированным штурвалом изменится на величину

Δ = (8.10)

и тогда

σ = σ + Δ = σ + . (8.11)

Откуда видно, что при включенном АПУ степень устойчивости по перегрузке ВС с фиксированным штурвалом σ будет больше чем при фиксированном руле высоты σ (т.к. <0, остальные составляющие в выражении для Δ положительные).

Исследование структурной схемы (рис.45 б) производится последовательно. Сначала анализируется внутренний контур (демпфер тангажа). Для него выведена формула (8.2) для передаточной функции замкнутой системы, которую можно получить после подстановки всех входящих в нее составляющих. В результате свертки внутреннего контура можно рассмотреть следующую эквивалентную структурную схему

В которой производятся преобразования аналогичные предыдущему. Получим новую передаточную функцию замкнутой системы, с помощью которой выбираются

и , обеспечивающие приемлемые характеристики устойчивости и управляемости.

Однако так же как и при использовании только демпфера для выхода ВС на заданную перегрузку необходимы большие расходы штурвала и следовательно возрастают усилия, которые испытывает пилот (с обратимой системой управления). Чтобы улучшить характеристики управляемости (при приемлемых показателях устойчивости) в закон управления включаются дополнительные составляющие

δ = K x + Δn + Δn . (8.12)

Требуемое изменение показателя x можно осуществить путем соответствующего регулирования коэффициента K . Простейшим устройством, выполняющим эту функцию, является автомат регулировки управления (АРУ).

Лекция 16. 8.2. Автоматическое управление

В режиме автоматического управления управляющей системой является автоматика уровней II или III (см. рис.43). Процесс управления осуществляется по замкнутому контуру, в котором ВС можно рассматривать как звено системы управления. Укрупнено САУ можно представить в виде схемы (рис.47).

По рассогласованию вычислительное устройство САУ в соответствии с заложенном в нем законом управления вырабатывает сигнал управления u(t).Сигнал управления поступает в исполнительный элемент САУ, а затем на рулевой привод, который отклоняет соответствующий орган управления для устранения рассогласования.

Замкнутая система «ВС + САУ» должна быть устойчивой и обеспечивать требуемую точность и быстродействие с высокой надежностью и безопасностью работы.

При одновременном управлении несколькими параметрами движения ВС, САУ имеет несколько взаимосвязанных замкнутых контуров управления. Такие системы называются многосвязными или многоконтурными.

Уровни надежности работы САУ, СУУ и др. применяются различные. Для ВС с АРУ с автоматами демпфирования и устойчивости требования к показателям устойчивости и управляемости относятся к системе «ВС + СУУ» и должна обеспечиваться практическая безотказность. Если практическая безотказность не обеспечена, то даже при наличии автоматики изолированное ВС должно иметь удовлетворительные характеристики, чтобы отказ автоматически не привел к опасной ситуации, т.е. автоматы должны быть отказобезопасными.

Приложение I

Категории посадочных минимумов ИКАО (ICAO).

Категория	Минимальная высота видимости, м	Горизонтальная видимость на ВПП, м
1	60	800
2	30	400
3а	0	200
3в	0	50
3с	0	0

Оценки пилотом технических показателей совершенства ВС.

5-ти бальная оценка R* (РФ)	5		4		3		2		1
10-ти бальная оценка (США)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Уровень пилотажных характеристик	1-ый уровень			2-ой уровень			3-ий уровень

Требования к летно-техническим характеристика (ЛТХ) ВС

Класс I – маневренные (n ≥ 5);

Класс II – ограниченно-маневренные (3,5 ≤ n < 5);

Класс III – неманевренные (n < 3,5); а) взлетная масса менее100 т; б) взлетная масса более 100т.

Для ВС класса III ТТЗ содержит требования к следующим ЛТХ:

1. скорости крейсерского полета в заданном диапазоне высот;

2. дальность при максимально полезной или коммерческой нагрузке в режиме полета с максимальной и крейсерской скоростями.

3. дальность с уменьшенной полезной или коммерческой нагрузкой при максимальной взлетной массе, а также при максимальном запасе топлива.

4. взлетно-посадочные характеристики.

Требования к пилотажным характеристикам ВС.

В зависимости от целевых задач ВС и характера выполняемого задания все этапы полета подразделяют на категории А.Б.В.

Категория А – соответствует этапам полета, требующим точного слежения и быстрого маневрирования.

Категория Б – соответствует взлетно-посадочным режимам полета с точным управлением траекторией, но не требующим высокого быстродействия.

Категория В - соответствует этапам полета, не требующим быстрого маневрирования и точного слежения (набор высоты, крейсерский полет, снижение).

Устойчивость и управляемость ВС на различных этапах полета определяется тремя уровнями пилотажных характеристик.

Первый уровень – наиболее благоприятные характеристики, не требующие большой нагрузки пилота и хорошо согласующиеся с задачами полета.

Второй уровень – удовлетворительные характеристики, обеспечивающие выполнение задач этапа полета при некотором снижении эффективности и увеличении нагрузки на пилота.

Третий уровень – неудовлетворительные, неприемлемые характеристики, не обеспечивающие эффективного выполнения задач этапа полета из-за большой нагрузки на пилота при управлении ВС.

Для количественной оценки указанных уровней пилотажных характеристик используются требования соответствующих нормативных документов и специализированные шкалы типа шкалы Купера – Харпера. В этой шкале первый уровень характеристик соответствует следующим оценкам:

1 ≤ PR ≤ 3,5 (хор.); второй уровень – 3,5<PR<6,5 (удовл.); третий уровень – PR>6,5 (неудовл.).

При формировании требований различают два вида пилотажных характеристик: статические и динамические. Важнейшими статическими характеристиками продольной управляемости являются 1) Х ; 2) Р ; 3) Х , мм; Х = Требования к значениям этих характеристик зависят от класса самолета и задаются нормативными документами.

Для транспортных ВС (класс III, неманевренные, n <3.5; а) взлетная масса менее 100 т; б) взлетная масса более 100 т; имеем следующие нормативы

Характеристика	Класс ВС
	III а	III б
Х	(-30)	(-45)
Р	(-100)-(-300)	(-150)-(-450)
Х мм	>0	>0

При этом максимальное значение коэффициента перемещения штурвала на единицу перегрузки должно быть |Х | |3Х |.

Одной из основных статических характеристик боковой управляемости является требование минимальной угловой скорости крена , рад/с.

Угловая скорость крена	Уровень характеристик	Категории этапа полета	Класс ВС
			III а	III б
рад/с	1-ый	А	0,35	0,3
		Б	0,3	0,25
		В	0,25	0,2
	2-ой	А	0,2	0,2
		Б	0,15	0,15
		В	0,15	0,15

Основные требования к динамическим характеристикам устойчивости и управляемости задаются несколькими способами:

1. Нормирование переходных процессов (прямые показатели качества);

2. Нормированием расположением нулей и полюсов передаточных функций ВС;

3. Нормированием частотных характеристик.

Время затухания	Категория этапа полета	Класс ВС III
, с	А	10
	Б, В	15

Нормирование расположения нулей и полюсов передаточных функций ВС производится для продольного и изолированных движений рыскания определяются допустимыми областями изменения параметров в короткопериодических движениях: опорных частот недемпфированных колебаний и относительного коэффициента демпфирования ξ (рис.48а) и аналогично: и ξ , (рис.48б).

Требования к динамическим характеристикам изолированного движения крена определяются допустимыми областями изменения параметров в угловом движении крена: и постоянной времени апериодического звена Т , (рис.48 в).

Что касается нормирования частотных характеристик, то для этой цели используют частотные критерии устойчивости Михайлова и Найквиста.

Приложение II.

Частотные критерии устойчивости и нормирование запасов устойчивости.

Пусть для линейной стационарной системы вход Х(t) и выход У(t) связаны соотношением

y(t) =

где W(t-τ) и W(τ) – называются переходными функциями, связывающими между собой выход У(t), как реакцию системы на единичное входное воздействие Х(τ)=1(τ) в момент

τ <t.

Преобразование Фурье от левой и правой частей

приводит к соотношению

Y(iω) = W(iω)X(iω),

где Y(iω),W(iω) и X(iω) - частотные характеристики соответственно «выхода», переходной функции W(τ) и «входа».

Если теперь рассмотреть преобразование Лапласа входа и выхода (при нулевых начальных условиях), то

Y(p) = W(p)X(p),

где W(р) – передаточная функция.

Сравнивая два последних соотношения нетрудно заключить, что если в последнем соотношении положить p= iω, то

W(iω) = W(p)|

и частотную характеристику переходной функции W(τ) можно получить, если в передаточной функции W(р) положить р=iω.

Будем в дальнейшем W(iω) называть частотной характеристикой исходной системы. Для передаточных функций систем (4.22), (8.3), (8.2)

W (p) = Y(p)/X(p); W (p) = W (p)/(1 + W (p)); W (p) = W (p)/(1 + W (p)W (p))

устойчивость определяется по корням знаменателя этих передаточных функций, представляющих собой характеристические уравнения соответственно для разомкнутой системы (4.22), замкнутой системы через единичную отрицательную обратную связь (8.3) и замкнутую систему с регулятором в отрицательной обратной связи (8.2).

Положив в этих соотношениях р = iω, получим соответствующие частотные характеристики.

Рассмотрим один простейший вариант замкнутой системы и ее частотную характеристику

W (iω) = W (iω)/(1 + W (iω)).

Знаменатель частотной характеристики является комплексным числом и при изменении ω от 0 до +∞ описывает кривую на комплексной плоскости, называемую годографом Найквиста (или просто годографом). Условие для определения корней характеристического уравнения будет следующим 1+ W (iω) = 0, а для устойчивых систем должно быть

1+ W (iω) > 0

или W (iω) >-1. Отсюда следует частотный критерий Найквиста устойчивости систем:

Если частотная характеристика разомкнутой системы W (iω) при 0 ≤ ω < ∞

не охватывает точку (-1,io), то система замкнутая с помощью отрицательной обратной связи будет устойчива.

На практике обычно удобнее использовать определение (назначение) запасов устойчивости по логарифмическим амплитудным (ЛАХ) и фазовым частотным (ФЧХ) характеристикам А(ω) и γ(ω). Вводятся специальные логарифмические шкалы:

20lgА(ω)=А дб (в децибелах) Например: А=100 1/вольт.с , то Адб=20lg100=40 дб. и по частоте lg ω, При этом: ω = 2ω - октава; ω = 10 ω - декада.При частоте ω = ω запаздывание по фазе γ = - π = -180◦, а при ω = ω частоте среза – амплитуда становится нулевой. Наклон зависимости ЛАХ определяется обычно в дб/декаду и особенно важен в области частоты среза ω = ω .

Для приемлемых характеристик устойчивости и управляемости обычно принимается

ΔА= 6 - 12 дб, Δφ = 40 – 45⁰ и наклон ЛАХ в окрестности ω равный ( - 20дб/дек).