[1]Изобретение относится к области систем автоматического управления (САУ) углом тангажа летательного аппарата (ЛА).
[2]Известны САУ, обеспечивающие отработку заданного угла тангажа ЛА с помощью автопилота, воздействующего на угол отклонения руля высоты ЛА [1. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1973. - 506 с. Стр.101, рис.3.9; 2. Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. - М.: Наука, 1973. - 560 с. Стр.179, рис.5.2; 3. Михалев И.А., Окоемов Б.Н., Чикулаев М.С. Системы автоматического управления самолетом. - М.: Машиностроение, 1987. - с.240. Стр.192, рис.14.2, стр.194, рис.14.4, стр.198, рис.14.7, стр.201, рис.14.9].
[3]Наиболее близкой по достигаемому техническому результату, выбранной в качестве прототипа, принимается САУ углом тангажа ЛА, реализующая астатический закон управления со скоростной обратной связью, содержащая последовательно соединенные задатчик угла тангажа и вычислитель автопилота угла тангажа, сервопривод, выходной сигнал которого определяет угол отклонения руля высоты летательного аппарата, датчик угла тангажа летательного аппарата, имеющий выход, подключенный к второму входу вычислителя автопилота угла тангажа [Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М. Машиностроение, 1973. - 506 с. Стр.101, рис.3.9].
[4]Эта САУ обеспечивает хорошие статические и динамические характеристики канала управления углом тангажа ЛА, но не позволяет ограничить значение угла атаки, что может привести к недопустимым аэродинамическим характеристикам ЛА и нарушению безопасности полета при маневрировании на больших углах атаки.
[5]Как известно, одним из наиболее важных ограничений при полете ЛА является ограничение угла атаки. Диапазон эксплуатационных углов атаки заключен между предельными допустимыми углами атаки (αдоп.min и αдоп.max[Михалев И.А., Окоемов Б.Н., Чикулаев М.С. Системы автоматического управления самолетом. - М.: Машиностроение, 1987. - с.240. Стр.42, рис.4.1].
[6]Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение необходимой точности ограничения угла атаки за счет включения в САУ углом тангажа ЛА автомата ограничения с помощью алгебраического селектора максимального сигнала.
[7]Поставленная задача достигается тем, что в систему автоматического управления углом тангажа и ограничения угла атаки летательного аппарата, содержащую последовательно соединенные задатчик угла тангажа и вычислитель автопилота угла тангажа, сервопривод, выходной сигнал которого определяет угол отклонения руля высоты летательного аппарата, датчик угла тангажа летательного аппарата, имеющий выход, подключенный к второму входу вычислителя автопилота угла тангажа, в отличие от прототипа дополнительно введены последовательно соединенные задатчик максимального угла атаки, вычислитель автомата ограничения угла атаки и селектор минимального сигнала, выход которого подключен к входу сервопривода, датчик угловой скорости крена летательного аппарата, имеющий выход, подключенный к второму входу вычислителя автомата ограничения угла атаки, выход вычислителя автопилота угла тангажа подключен к второму входу селектора минимального сигнала.
[8]Существо изобретения поясняется чертежами.
[9]На фиг.1 представлена структурная схема заявляемой системы автоматического управления углом тангажа и ограничения угла атаки летательного аппарата.
[10]На фиг.2 представлены результаты моделирования переходных процессов: 2а - графики переходных процессов в САУ углом тангажа ϑ без автомата ограничения угла атаки α, 2б - графики переходных процессов в САУ углом тангажа ϑ с автоматом ограничения угла атаки α.
[11]Система автоматического управления углом тангажа и ограничения угла атаки летательного аппарата, содержащая последовательно соединенные задатчик угла тангажа 1 и вычислитель автопилота угла тангажа 2, сервопривод 3, выходной сигнал которого определяет угол отклонения руля высоты летательного аппарата 4, датчик угла тангажа 5 летательного аппарата 4, имеющий выход, подключенный к второму входу вычислителя автопилота угла тангажа 2, согласно изобретению содержит последовательно соединенные задатчик максимального угла атаки 6, вычислитель автомата ограничения угла атаки 7 и алгебраический селектор максимального сигнала 8, выход которого подключен к входу сервопривода 3, датчик угловой скорости крена 9 летательного аппарата 4, имеющий выход, подключенный к второму входу вычислителя автомата ограничения угла атаки 7, выход вычислителя автопилота угла тангажа 2 подключен к второму входу алгебраического селектора максимального сигнала 8.
[12]Ограничение угла атаки в приведенной системе достигается за счет введения в ее структуру автомата ограничения угла атаки и алгебраического селектора максимального сигнала.
[13]Система автоматического управления углом тангажа с вычислителем автомата ограничения угла атаки работает следующим образом.
[14]Сигнал заданного угла тангажа ϑзад с выхода задатчика угла тангажа 1 поступает на первый вход вычислителя автопилота угла тангажа 2, на второй вход которого поступает сигнал текущего значения угла тангажа ϑ с выхода датчика угла тангажа 5. На выходе вычислителя автопилота угла крена 2 формируется сигнал
[15]
[16]поступающий на один из входов алгебраического селектора максимального сигнала 8.
[17]Сигнал заданного максимального угла атаки αогрс выхода задатчика максимального угла атаки 6 поступает на первый вход вычислителя автомата ограничения угла атаки 7, на второй вход которого поступает сигнал текущего значения угла атаки α с выхода датчика угла атаки 9. На выходе вычислителя автомата ограничения угла атаки 7 формируется сигнал
[18]
,
[19]поступающий на другой из двух входов алгебраического селектора максимального сигнала 8.
[20]Для построения САУ с ограничением параметров ЛА можно использовать логические устройства, реализующие алгоритмы алгебраического селектирования каналов. Обычно применяется принцип селектирования, согласно которому регулируется параметр многомерного объекта управления, наиболее приблизившийся к величине, определяемой программой управления [Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов. / Под ред. А.А.Шевякова. - М.: Машиностроение, 1983. - 283 с. Стр.110-111]. Такое селектирование реализуется с помощью алгебраических селекторов.
[21]Для того чтобы регулируемые параметры не превысили максимально допустимых значений (ограничение сверху), селектор должен пропустить на управление сигнал, соответствующий получению минимальной величины управляющего сигнала. Такое селектирование называют селектированием по минимуму, а селектор - селектором минимальных сигналов управления.
[22]Если же ограничивают минимальные значения параметров (ограничение снизу), то предпочтение отдается регулятору параметра, для поддержания которого требуется наибольший управляющий сигнал, т.е. осуществляется селектирование по максимуму. В этом случае используют селектор максимальных сигналов управления.
[23]Такая классификация алгебраических селекторов справедлива, если коэффициент передачи объекта управления больше нуля. Если коэффициент передачи объекта управления меньше нуля, логика алгебраического селектора должна быть противоположной. Как известно, в уравнения и передаточные функции ЛА по углу тангажа и углу атаки входит знак минус при изменении угла отклонения руля высоты δв [1. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М. Машиностроение, 1973. - 506 с. Стр.28; 2. Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. - М.: Наука, 1973 г. - 560 с. Стр.37]. Поэтому в рассматриваемой системе должен использоваться алгебраический селектор максимального сигнала 9.
[24]Относительно разности входных сигналов ε=U1-U2 выражение, описывающее работу алгебраического селектора двух величин, преобразуется с использованием операции выделения модуля следующим образом:
[25]
[26]где µ=1 для селектора максимального сигнала; µ=-1 для селектора минимального сигнала.
[27]Селекторы вводятся в САУ для плавного переключения каналов управления и обеспечивают во всех условиях работы управляющее воздействие только одного из нескольких каналов управления, включаемых в работу в зависимости от режима работы объекта управления. При этом каждый из каналов управления работает автономно и его параметры обычно выбираются без учета взаимодействия с другими каналами. Это позволяет сохранить статическую точность и запасы устойчивости, свойственные отдельным каналам управления.
[28]Следовательно, алгебраический селектор обеспечивает плавное переключение с одного канала на другой, например с автопилота на автомат ограничения и обратно на автопилот.
[29]Выходной сигнал U алгебраического селектора максимального сигнала 8 поступает на вход астатического сервопривода 3 с передаточной функцией
[30]
,
[31]изменяющего угол отклонения руля высоты δв летательного аппарата 4:
[32]
.
[33]Приведем синтез системы автоматического управления углом тангажа и ограничения угла атаки летательного аппарата.
[34]Аналитический синтез передаточных чисел автопилота и автомата ограничения с учетом заданного качества САУ удобно производить с помощью метода стандартных переходных характеристик [Петунин В.И. Синтез законов управления канала тангажа автопилота. // Вестник УГАТУ, серия «Управление, вычислительная техника и информатика». 2007. Том 9, №2 (20). С.25-31]. При этом должно выполняться равенство передаточных функций исходной Ф(р) и желаемой систем Ф*(р):
[35]
.
[36]Передаточная функция самолета по углу тангажа ϑ при управлении рулем высоты δв [Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1973. - 506 с. Стр.28]:
[37]
.
[38]Закон управления астатического автопилота угла тангажа со скоростной обратной связью:
[39]
[41]Синтез астатического автопилота угла тангажа со скоростной обратной связью подробно рассмотрен в работе [Петунин В.И. Синтез законов управления канала тангажа автопилота. // Вестник УГАТУ, серия «Управление, вычислительная техника и информатика». 2007. Том 9, №2 (20). С.25-31].
[42]Передаточная функция самолета по углу атаки α при управлении рулем высоты δв [Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1973. - 506 с. Стр.28]:
[43]
.
[44]Закон управления автомата ограничения угла атаки:
[45]
,
[46]где kα; k
; k
- передаточные числа автомата ограничения.
[47]Передаточная функция замкнутой системы по углу атаки:
[48]
[49]Желаемая передаточная функция замкнутой системы по углу атаки:
[50]
.
[51]Тогда передаточные числа автомата ограничения:
[53]Результаты синтеза подтверждаются результатами моделирования переходных процессов в заявляемой системе автоматического управления углом тангажа и ограничения угла атаки летательного аппарата, представленными на фиг.2, где задающие воздействия каналов: ϑзад=1; αогр=0,2. Переходные процессы 2а, полученные в САУ углом крена без автомата ограничения угловой скорости тангажа, являются не удовлетворительными, так как имеют заброс по углу атаки. Переходные процессы 2б, полученные в САУ углом тангажа с автоматом ограничения угла атаки, являются удовлетворительными, поскольку показывают необходимую точность ограничения α≤αогр=0,2 и хорошее качество управления на режимах переключения каналов системы.
[54]Итак, заявляемое изобретение позволяет, благодаря введению в структуру САУ углом тангажа ЛА автомата ограничения угла атаки с помощью алгебраического селектора максимального сигнала, обеспечить необходимую точность ограничения угла атаки и плавные переходные процессы при переключении каналов.
, 
, 
- передаточные числа автопилота.
.
