Автопилоты и системы автоматического управления полетом летательного аппарата

Автопилоты. Современные автопилоты (АП) представляют собой комплекс совместно работающих устройств, обеспечивающих стабилизацию ЛА на траектории, стабилизацию высоты полета, управление маневрами ЛА и приведение его в горизонтальный полет.

В основу схемы автопилотов при работе в режиме стабилизации положен принцип регулирования по углу, угловой скорости (автопилоты типа АП-6Е, АП-28, АП-31, АП-40 и др.), а у некоторых автопилотов и по угловому ускорению (автопилоты типа АП-15). Система «Самолет—автопилот» представляет единую замкнутую систему автоматического регулирования и управления. Автопилот состоит обычно из трех автоматических систем регулирования с внутренними перекрестными связями. Все три системы обычно выполняются по одинаковым схемам. На рис. 1 приведена схема канала управления рулями высоты.

Рис. 1. Функциональная схема автоматического управления рулями высоты

d_в — угол отклонения руля высоты; n_з— заданное значение угла тангажа; n— угол тангажа; 3 — задатчик угла тангажа; ИУ — измерительные устройства (датчики n и v_n); U_nз, U_n, U_vn— напряжения, пропорциональные значениям n_з, n, v_n; СУ — суммирующее устройство; U_ос — напряжение обратной связи; U_S— суммарное напряжение; У — усилитель; ОС — датчик обратной связи; k — коэффициент усиления усилителя; РМ — рулевая машина

В состав каждого канала входят измерительные устройства ИУ, суммирующие устройства СУ, усилительные (У) и исполнительные устройства (РМ). Измерительные устройства ИУ автопилотов типа АП (например, датчики углов крена, тангажа, курса, высоты и т. п.) измеряют значения отклонений угла и угловой скорости (например, угла тангажа n, угловой скорости тангажа v_n) и преобразуют эти отклонения в величины напряжений U_n и U_v. После алгебраического суммирования в суммирующем устройстве СУ сумма напряжений U_S усиливается усилителем У и подается на рулевую машину РМ автопилота. Последняя отклоняет руль высоты, в результате чего появившееся отклонение угла тангажа ликвидируется.

На суммирующее устройство с выхода рулевой машины подается сигнал U_ос обратной связи. Отрицательная обратная связь обеспечивает устойчивость и быстрое затухание колебаний системы «Самолет—автопилот». Для задания определенного значения угла тангажа n_з в схеме автопилота предусматривается специальный задатчик этой величины. Аналогичные функциональные схемы имеют каналы управления креном и курсом самолета. Для устранения автоколебаний в системе «Самолет—автопилот» в автопилотах применяется жесткая обратная связь. Жесткая обратная связь применяется для получения в установившемся состоянии пропорциональности между отклонением руля и отклонением ЛА. При этом закон регулирования автопилота имеет вид:

по курсу
по крену
по тангажу

где d_н, d_э, d_в — углы отклонения руля поворота, элеронов, руля высоты (стабилизатора) соответственно; k_н, k_э, k_в — передаточные числа автопилота по курсу, крену, тангажу соответственно; Df, Dn, Dg — угол отклонения (от заданного) самолета по курсу, крену, тангажу соответственно.

Для более плавной стабилизации ЛА необходимо учитыва ть не только углы Df, Dn и Dg, но и скорости изменения этих углов dDf/dt, dDn/dt, dDg/dt. Это означает, что более резким отклонениям ЛА будут соответствовать также и более резкие отклонения рулей. Тогда уравнение автопилота для одного канала, например канала курса, будет иметь вид: ,

где k_н, k'_н— передаточные числа автопилота по углу и угловой скорости канала курса соответственно.

Аналогично записываются уравнения для каналов крена и тангажа .

Если кроме угловых скоростей учитывать учитывать также и угловые ускорения d²Df/dt², d²Dn/dt², d²Dg/dt², то качество регулирования улучшится. В этом случае уравнение автопилота для одного канала, например канала курса, имеет вид

где k'_'н — передаточное число автопилота по угловому ускорению канала курса.

При этом отказываются от жесткой обратной связи, так как отклонение руля вызовет немедленное отрицательное ускорение самолета, парирующее возмущающее отклонение

ЛА. При учете суммарного сигнала по времени, например по курсу, автопилот стабилизирует ЛА на траектории, т. е. возвращает его на прежнюю траекторию полета. Уравнение автопилота для одного канала (курса) в этом случае записывается

Такое регулирование называется астатическим.

Режим работы автопилотов. Автопилоты обычно имеют три режима работы: согласования (подготовки), стабилизации и управления.

В каналах стабилизации автопилотов имеются перекрестные связи которые связывают между собой разные каналы управления автопилота, например курса и крена, для осуществления координированного разворота.

Уравнения наиболее распространенных типов автопилотов в режиме стабилизации имеют вид:

автопилота АП-6Е по курсу
по крену
по тангажу

где k_н, k_э, k_э — передаточные числа автопилота для координированного разворота;

автопилота АП-15 по курсу
по крену
по тангажу

автопилота АП-28 по курсу
по крену
по тангажу

автопилота АП-31 по курсу
по крену
по тангажу

Одноканальные креновые автопилоты типа КАП-2, устанавливаемые на легкие самолеты, работают в двух режимах: в режиме демпфера и в режиме стабилизации угла крена.

В режиме демпфера закон регулирования элеронами имеет вид:

где k_э - передаточное отношение, изменяемое в зависимости от скоростного напора и высоты; w_э - уголвая скорость изменения угла крена.

В режиме стабилизации закон регулирования элеронами имеет вид:

где k_э, k^'_э - передаточные отношения по углу и угловой скорости; k^з_э - передаточное отношение по заданному углу крена; Dg_з - угол крена, заданный ручкой управления.

В качестве чувствительных элементов, реагирующих на угловые отклонения ЛА относительно центра тяжести, применяются:

• по курсу — гирополукомпасы, дистанционные магнитные компас,ы, курсовые системы;
• по крену и тангажу — центральные гировертикали, гиродатчики дистанционных авиагоризонтов;
• по курсу, крену и тангажу — курсовертикали;
• по угловой скорости — демпфирующие гироскопы;
• по угловому ускорению — специальные устройства, вырабатывающие сигналы, пропорциональные угловому ускорению ЛА, путем дифференцирования сигналов датчиков угловой скорости.

Электрические сигналы отклонений ЛА по углу, угловой скорости и угловому ускорению, полученные с датчиков, усиливаются электронными или электромашинными усилителями, подаются на рулевые машины, которые перемещают соответствующие рули самолета или изменяют режимы работы (тягу) авиадвигателей. Автопилоты имеют электрические связи с курсовыми системами, централями скорости и высоты, демпферами колебаний, автоматами дополнительных усилий, навигационными вычислительными устройствами.

Реклама: