СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВУХКИЛЕВОГО ПИЛОТИРУЕМОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В КАНАЛЕ КУРСА
METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING A TWO-FIN MANNED AERIAL VEHICLE IN THE COURSE CHANNEL

Изобретение относится к системам управления (СУ) двухкилевого пилотируемого летательного аппарата (ЛА) в канале курса.
Основной особенностью управления ЛА (в том числе двухкилевого) в канале курса, приводящей к ухудшению управляемости, является снижение эффективности органов управления на больших скоростных напорах из-за упругости конструкции ЛА.
Способ управления ЛА в канале курса, реализованный в известных системах управления (Г.С. Бюшгенс. Аэродинамика, устойчивость и управляемость сверхзвуковых самолетов. Москва. «Наука. Физматлит», 1998 г., с. 811, с. 650÷652; Г.С. Бюшгенс, Р.В. Студнев. Аэродинамика самолета. Динамика продольного и бокового движения. Москва. «Машиностроение», 1979 г., с. 352, с. 315, рис. 36.6 б, с. 308, рис. 36.1; Гуськов Ю.П., Загайнов Г.И. Управление полетом самолетов: Учебник для авиационных вузов. - М.: Машиностроение, 1980, 213. с., ил., с. 117÷119), основывается на использовании педалей, системы дистанционного управления (СДУ) с тем или иным законом управления, на вход которой поступает сигнал от педалей, рулевых приводов (РП), на входы которых поступают сигналы с выходов СДУ, килей, расположенных на них рулей направления (РН) и механической проводки (МП), отклоняющей РН от перемещения штоков РП.
В указанных СУ не принимаются во внимание изменения передаточного числа проводки управления за приводами органов управления (рулей направления) в канале курса. На больших скоростных напорах наблюдается заметная деформация конструкции вертикального оперения (ВО) ЛА, в том числе и руля направления на консоли ВО. Этот эффект обычно учитывается в расчетах с помощью так называемых коэффициентов влияния упругости конструкции ЛА на соответствующие аэродинамические характеристики. Указанные коэффициенты влияния используются, в том числе, при выполнении расчетов и моделирования для определения передаточных чисел СУ в канале курса. Однако в применяемой методике расчетов параметров СУ не учитывается изменение передаточного числа в механической проводке управления (от штока рулевого привода до руля направления). Однако деформация конструкции ВО приводит к изменению положения размещенного внутри ВО рулевого привода и системы тяг и качалок между этим приводом и органом управления (рулем направления) по сравнению с теоретическим положением. Подобное перемещение частей МП в пространстве вызывает изменение передаточного числа от привода через проводку к органам управления в канале курса. При этом фактический угол отклонения органа управления может отличаться от заданного угла, задаваемого сигналом на входе в привод, более чем в два раза. Это явление приводит к дополнительному уменьшению управляемости ЛА, которое не учитывается в известных СУ.
Заявляемый способ управления двухкилевым пилотируемым ЛА в канале курса заключается в использовании педалей, СДУ, в состав которой входит вычислительное устройство (ВУ) и на вход которой поступает сигнал от педалей, двух РП, на входы которых поступают сигналы с выходов СДУ, двух килей и расположенных на них двух рулей направления, двух механических проводок, отклоняющих рули направления от перемещения штоков РП, отличающийся тем, что имеющее место изменение коэффициента передачи от перемещения штоков РП до углового отклонения органов управления ЛА, вызванное упругими деформациями конструкции килей, составных узлов МП и самих РН при больших скоростных напорах, компенсируется соответствующим изменением коэффициента передачи сигналов с выходов СДУ до входов в РП таким образом, что обеспечивается заданное (расчетное) значение общего коэффициента передачи сигнала от педалей через СДУ, РП и МП до отклонения органов управления ЛА.
Техническим результатом, достигаемым в заявляемом способе управления двухкилевым пилотируемым ЛА в канале курса, является сохранение удовлетворяющей нормативным требованиям и соответствующей теоретическим значениям управляемости пилотируемого ЛА в канале курса во всем диапазоне допустимых значений скоростного напора.
Заявленный результат обеспечивается тем, что имеющее место изменение коэффициента передачи от перемещения штока РП до углового отклонения органов управления, вызванное упругими деформациями конструкции килей, составных узлов МП и самих РН при больших скоростях полета, компенсируется соответствующим изменением коэффициента передачи сигналов с выходов ВУ до входов в РП таким образом, что обеспечивается заданное (расчетное) значение общего коэффициента передачи сигнала от педалей через СДУ, РП и МП до отклонения органов управления, полученное без учета упругих деформаций.
ст
дин
ст
дин
ст
ст
СУ, использующая заявляемый способ управления двухкилевым пилотируемым ЛА в канале курса, содержит систему воздушных сигналов (СВС), формирующую сигналы числа М, статического Р и динамического Рдавления, датчик перемещения педалей, датчик перемещения ручки управления по тангажу, датчики угла атаки, угловой скорости крена, угловой скорости рыскания, угла скольжения и боковой перегрузки, СДУ, включающую в себя ВУ, входы которого соединены с выходами СВС по сигналам числа М, статического Р и динамического Р давления и с выходами датчиков перемещения педалей, перемещения ручки управления по тангажу, угла атаки, угловой скорости крена, угловой скорости рыскания, угла скольжения и боковой перегрузки, рулевые приводы левый и правый, левую и правую механические проводки, входы которых соединены с левым и правым рулевым приводом соответственно, рули направления левый и правый, подключенные к выходам левой и правой механических проводок соответственно. СДУ дополнительно содержит корректирующий блок, первый вход которого подключен к выходу ВУ, второй и третий входы соединены соответственно с выходами СВС по сигналам соответственно Р и числа М, а выходы которого, являющиеся выходами СДУ, подключены к входам левого и правого рулевых приводов. Корректирующий блок содержит первый и второй нелинейные блоки, на входы которых поступают сигналы статического давления Ри числа М с выходов СВС, первый и второй сумматоры, первые входы которых соединены с выходом второго нелинейного блока, а выходы которых являются выходами корректирующего блока, блок перемножения, первый вход которого, являющийся входом корректирующего блока, соединен с выходом ВУ, второй вход блока перемножения подключен к выходу первого нелинейного блока, а выход блока перемножения подключен к вторым входам первого и второго сумматоров.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими изображениями:
на фиг. 1 изображена блок-схема системы управления двухкилевого пилотируемого ЛА в канале курса;
на фиг. 2 изображена структура корректирующего блока СУ;
на фиг. 3 приведены графики переходных процессов в СУ.
На фиг. 1÷3 использованы следующие обозначения:
1 - система воздушных сигналов (СВС);
2 - датчик перемещения педалей;
3 - датчик перемещения РУС по тангажу;
4 - датчик угла атаки;
5 - датчик угловой скорости крена;
6 - датчик угловой скорости рыскания;
7 - датчик угла скольжения;
8 - датчик перегрузки в боковом канале;
9 - система дистанционного управления;
10 - вычислительное устройство (ВУ) СДУ;
лев
прав
11, 12 - рулевые приводы левый РП и правый РП;
18, 19 - первый и второй нелинейные блоки;
лев
прав
13, 14 - механическая проводка левого МП и правого МП руля направления;
лев
прав
15, 16 - рули направления левый РН и правый РН;
17 - корректирующий блок;
18, 19 - первый и второй нелинейные блоки;
20, 21 - первый и второй сумматоры;
22 - блок перемножения сигналов;
М - число Маха;
ст
дин
Р, Р - статическое и динамическое давление;
ПЕД
Х - сигнал перемещения педалей;
Рγ
Х - сигнал с выхода датчика перемещения РУС по крену;
α - сигнал с выхода датчика угла атаки;
Х
У
ω, ω - сигналы угловых скоростей крена и рыскания;
β - сигнал угла скольжения;
Z
n - сигнал боковой перегрузки;
ВУ
δ - сигнал с выхода ВУ;
лев
- сигнал на входе в левый рулевой привод РП;
- сигнал на входе в правый рулевой привод
К - коэффициент передачи первого нелинейного блока;
- дополнительный корректирующий сигнал отклонения рулей направления;
рнф.исх
δ - фактическое отклонение руля высоты в реальном полете с исходной СУ;
рнф.мод
δ - фактическое отклонение руля высоты в реальном полете с модифицированной СУ;
рншт.исх
δ - фактическое отклонение штока рулевого привода в реальном полете с исходной СУ;
рншт.мод
δ - фактическое отклонение штока рулевого привода в реальном полете с модифицированной СУ;
nz.исх - боковая перегрузка с исходной СУ в реальном полете;
nz.мод - боковая перегрузка с модифицированной СУ в реальном полете.
ст
дин
ст
СУ содержит систему воздушных сигналов (СВС) 1, формирующую сигналы числа М, статического Р и динамического P давления, датчик 2 перемещения педалей, датчик 3 перемещения ручки управления по тангажу, датчики угла атаки 4, угловой скорости крена 5, угловой скорости рыскания 6, угла скольжения 7 и боковой перегрузки 8, СДУ 9, включающую в себя ВУ 10, входы которого соединены с выходами СВС 1 и с выходами датчиков 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8, рулевые приводы левый 11 и правый 12, механические системы левого руля направления 13 и правого руля направления 14, рули направления левый 15 и правый 16. СДУ дополнительно содержит корректирующий блок 17, первый вход которого подключен к выходу ВУ 10, второй и третий входы соединены соответственно с выходами СВС 1 по сигналам соответственно Р и числа М, а выход которого, являющийся выходом СДУ 9, подключен к входам левого и правого рулевых приводов 11 и 12. ВУ 10 формирует закон управления рулями направления с учетом перекрестных связей в продольном и боковом движениях ЛА. Структура ВУ формируется для каждого ЛА индивидуально, например, так, как представлено на рис. 36.1 в книге Г.С. Бюшгенс, Р.В. Студнев. Аэродинамика самолета. Динамика продольного и бокового движения. Москва. «Машиностроение», 1979 г., с. 308.
ст
В состав корректирующего блока 17 входят первый 18 и второй 19 нелинейные блоки, на входы которых поступают сигналы статического давления Р и числа М с выхода СВС 1, первый 20 и второй 21 сумматоры, первые входы которых соединены с выходом второго нелинейного блока 19, а выходы которых являются выходами корректирующего блока, блок перемножения 22, первый вход которого, являющийся входом корректирующего блока, соединен с выходом ВУ 10, второй вход которого подключен к выходу первого нелинейного блока 18, а выход блока перемножения подключен к вторым входам первого 20 и второго 21 сумматоров. Структура нелинейных блоков 18 и 19 определяется конкретным типом ЛА, вариант их реализации приведен на фиг. 2.
Положительный эффект достигается за счет введения в СДУ 9 дополнительного передаточного коэффициента, формируемого в корректирующем блоке 17, с помощью которого учитывается влияние описанного выше перемещения механической части СУ на величину фактического угла отклонения органа управления. Этот дополнительный передаточный коэффициент позволяет сформировать на входе в привод сигнал, который дает возможность получить угол отклонения рулей направления, соответствующий углу отклонения, необходимому для реализации управляемости, заданной алгоритмом СДУ на выходе ВУ в канале курса.
рн.ф
Описанное перемещение механической проводки СУ в пространстве обусловлено аэродинамическим нагружением консоли ВО и органа управления, размещенного на ВО. Аэродинамическое нагружение двухкилевого ВО характеризуется совокупностью симметричной и несимметричной аэродинамической нагрузки. Симметричная составляющая аэродинамической нагрузки на консоль двухкилевого ВО обусловлена воздействием обтекания крыла на ВО и зависит от режима полета. Несимметричная составляющая аэродинамической нагрузки обусловлена маневрированием ЛА и зависит как от режима полета, так и от величины кинематических параметров движения (боковая перегрузка, угол отклонения органа управления в канале курса и т.д.). Соответственно фактический угол отклонения органа управления в канале курса - δ можно представить в виде:
где:
q - скоростной напор;
pн.0
ст
ст
δ(q, р) - составляющая фактического угла отклонения органа управления в канале курса, зависящая от величины симметричной составляющей аэродинамической нагрузки на консоль двухкилевого ВО и представляющая собой функцию скоростного напора q и статического давления (высоты полета) р;
pн.
z
ст
ст
z
δ(n, … q, р) - составляющая фактического угла отклонения органа управления в канале курса, зависящая от величины несимметричной составляющей аэродинамической нагрузки на консоль двухкилевого ВО и представляющая собой функцию скоростного напора q и статического давления (высоты полета) р, а также кинематических параметров движения - боковой перегрузки n и т.д.
pн
z
ст
рн СУ
Величину δ.(n, … q, р) можно представить в виде функции заданного алгоритмом СДУ угла отклонения органа управления в канале курса δ:
1
ст
ст
где K (q, р) - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров режима полета q и р.
рн
СУ
рн.пр
рн СУ
Таким образом, задача предлагаемой СУ состоит в том, чтобы при наличии управляющего сигнала δ, который необходим для управления ЛА в канале курса согласно теоретической модели ЛА, сформировать сигнал δ на входе в приводы органа управления в канале курса, который с учетом фактической деформированной конфигурации ЛА обеспечит управляемость, заданную величиной δ. Следовательно, соотношение (1) в этом случае примет вид:
рн СУ
Из соотношения (3) можно определить величину сигнала, которую надо подать на вход приводов органов управления в канале курса, чтобы получить управляемость, соответствующую углу отклонения δ:
где  а
2
ст
Передаточный коэффициент K(q, р) формируется в корректирующем блоке 17, представленном на фиг. 2. Структура нелинейных блоков 18 и 19, входящих в корректирующий блок, определяется конкретным типом ЛА. Вариант их реализации для маневренного самолета приведен на фиг. 2.
рн-штисх
рн ф исх
рншт мод
рн ф мод
рн ф мод
рншт исх
zмод
zисх
На рис. 3 представлены результаты летных испытаний самолета с исходной системой управления и с предлагаемой (модифицированной) системой управления, выполненной при доработке самолета. На рисунке видно, что для выполнения координированного скольжения при перемещении штока привода руля направления для отклонения руля направления на угол δ на самолете с исходной системой управления фактическое отклонение руля направления происходит на значительно меньший угол δ. В аналогичной ситуации в модифицированной системе управления при перемещении штока привода руля направления для отклонения руля направления на угол δ происходит фактическое отклонение руля направления на угол δ. Причем выполняется соотношение δ=δ. Таким образом, как следует из представленных графиков, предлагаемая СУ выполняет отклонение руля направления на больший угол, обеспечивающий расчетную управляемость в канале рыскания, лучшую, чем в исходной СУ, что следует из реализации повышенных значений боковой перегрузки n вместо n.