УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ БОКОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к управлению пространственным положением летательных аппаратов, в полете которых реализуются режимы координированных разворотов в боковом канале с большими углами крена.
Известны устройства управления летательными аппаратами, в которых сигналы управления для каналов курса и крена формируются на основе сигналов задающих воздействий и измеренных сигналов углового положения летательного аппарата и угловой скорости по курсу и крену.
Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство формирования сигнала управления боковым движением летательного аппарата, выбранное в качестве прототипа, которое содержит последовательно соединенные задатчик сигнала управления, элемент вычитания канала курса и суммирующий усилитель канала курса, последовательно соединенные элемент вычитания канала крена и суммирующий усилитель канала крена, датчики угла курса, угловой скорости по курсу, угла крена и угловой скорости по крену, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами элемента вычитания и суммирующего усилителя канала курса и элемента вычитания и суммирующего усилителя канала крена [1].
Существенными признаками прототипа - устройства формирования сигнала управления боковым движением летательного аппарата, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются - устройство формирования сигнала управления боковым движением летательного аппарата содержит последовательно соединенные задатчик сигнала управления по курсу, первый элемент вычитания и первый суммирующий усилитель, последовательно соединенные второй элемент вычитания и второй суммирующий усилитель, датчики угла курса,
угловой скорости по курсу, угла крена и угловой скорости по крену, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами первого элемента вычитания, первого суммирующего усилителя, второго элемента вычитания и второго суммирующего усилителя.
Недостатком известного решения являются ограниченные функциональные возможности и невысокая точность управления, что приводит к снижению качества переходных процессов управления и может приводить к снижению точностных характеристик летательного аппарата.
Решаемой в предлагаемой полезной модели технической задачей является расширение функциональных возможностей и повышение точности управления летательным аппаратом. В предложенном устройстве достигается функциональная возможность изменения интенсивности управления в канале крена в условиях достаточно интенсивного управления в канале курса.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство формирования сигнала управления боковым движением летательного аппарата, содержащее последовательно соединенные задатчик сигнала управления по курсу, первый элемент вычитания и первый суммирующий усилитель, последовательно соединенные второй элемент вычитания и второй суммирующий усилитель, датчики угла курса, угловой скорости по курсу, утла крена и угловой скорости по крену, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами первого элемента вычитания, первого суммирующего усилителя, второго элемента вычитания и второго суммирующего усилителя, дополнительно введены первый и второй ограничители сигналов, входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго суммирующих усилителей, а выходы являются первым и вторым выходами устройства соответственно, а также последовательно соединенные кусочно-линейный функциональный преобразователь информации, апериодический фильтр и инвертирующий усилитель, выход которого соединен с первым входом второго элемента
вычитания, при этом выход задатчика сигнала управления по курсу соединен с входом кусочно-линейного функционального преобразователя информации.
Отличительными признаками предлагаемого технического решения -устройства формирования сигнала управления боковым движением летательного аппарата являются следующие - оно содержит первый и второй ограничители сигналов, входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго суммирующих усилителей, а выходы являются первым и вторым выходами устройства соответственно, а также последовательно соединенные кусочно-линейный функциональный преобразователь информации, апериодический фильтр и инвертирующий усилитель, выход которого соединен с первым входом второго элемента вычитания, при этом выход задатчика сигнала управления по курсу соединен с входом кусочно-линейного функционального преобразователя информации.
Как показывают результаты проведенного математического моделирования, предложенное устройство формирования сигнала управления боковым движением летательного аппарата позволяют расширить функциональные возможности и повысить точность управления в каналах курса и крена, что приводит к улучшению качества переходных процессов управления и повышению точностных характеристик летательного аппарата.
Предложенное устройство управления наиболее эффективно при применении на летательных аппаратах, которые предназначены для выполнения маневров по курсу путем координированного разворота по крену (т.е. для летательных аппаратов плоской аэродинамической схемы), особенно при наличии требований к точности и быстродействию маневров.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства, на фиг.2 - структурная схема кусочно-линейного функционального преобразователя информации, на фиг.3 и 4 приведены соответственно характеристики
релейного и нелинейного элементов кусочно-линейного функционального преобразователя информации с зоной нечувствительности.
Устройство формирования сигнала управления боковым движением летательного аппарата (фиг.1) содержит последовательно соединенные задатчик сигнала управления по курсу 1, первый элемент вычитания 2, первый суммирующий усилитель 3 и первый ограничитель сигнала 4, выход которого является первым выходом устройства, последовательно соединенные кусочно-линейный функциональный преобразователь информации 5, апериодический фильтр 6, инвертирующий усилитель 7, второй элемент вычитания 8, второй суммирующий усилитель 9 и второй ограничитель сигнала 10, выход которого является вторым выходом устройства, а также датчики угла курса 11, угловой скорости по курсу 12, угла крена 13 и угловой скорости по крену 14, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами первого элемента вычитания 2, первого суммирующего усилителя 3, второго элемента вычитания 8 и второго суммирующего усилителя 9, при этом выход задатчика сигнала управления по курсу 1 соединен с входом кусочно-линейного функционального преобразователя информации 5. Кусочно-линейный функциональный преобразователь информации 5 (фиг.2) содержит последовательно соединенные релейный элемент с зоной нечувствительности 15 и сумматор 16, а также нелинейный элемент 17, вход которого соединен с входом преобразователя информации 5, а выход соединен со вторым входом сумматора 16.
Устройство формирования сигнала управления боковым движением летательного аппарата работает следующим образом.
Основные, базовые сигналы управления в каналах курса  и крена  формируются, соответственно, блоками 1, 2, 3, 11, 12 канала курса и 7, 8, 9, 13, 14 канала крена:
1ψ
2ψ
где K, K - передаточные коэффициенты первого суммирующего усилителя 3, определяющие усиление сигналов рассогласования и угловой скорости по курсу соответственно;
Δψ - сигнал рассогласования по курсу на выходе первого элемента вычитания 2;
ψ - сигнал датчика угла курса 11;
зад.
ψ - задающий сигнал по курсу на выходе задатчика сигнала управления по курсу 1;
y
ω - сигнал датчика угловой скорости по курсу 12;
1γ
2γ
K, K - передаточные коэффициенты второго суммирующего усилителя 9, определяющие усиление сигналов рассогласования и угловой скорости по крену соответственно;
Δγ - сигнал рассогласования по крену на выходе второго элемента вычитания 8;
γ - сигнал датчика угла крена 13;
y.
γ - управляющий сигнал по крену на выходе инвертирующего усилителя 7;
х
ω - сигнал датчика угловой скорости по крену 14.
Сигналы управления  по (1) и  по (2) формируются суммирующими усилителями 3 и 9, а сигналы рассогласования Δψ по (3) и Δγ по (4) формируются первым 2 и вторым 8 элементами вычитания соответственно.
Сигналы  по (1) и  по (2) ограничиваются первым и вторым ограничителями сигналов 4 и 10 соответственно. При этом выходные сигналы управления в каналах курса и крена формируются в виде:
и
ψ
γ
ψ
γ
где А и А - уровни ограничений первого и второго ограничителей 4 и 10 соответственно. Выбор параметров А и А обеспечивает отклонение рулевых приводов летательного аппарата в каналах курса и крена, соответствующее оптимальному маневру летательного аппарата по курсу и крену.
y
зад.
y
Управляющий сигнал по крену γ формируется каналом координированного управления, содержащим последовательно соединенные кусочно-линейный функциональный преобразователь информации 5, апериодический фильтр 6 и инвертирующий усилитель 7. При этом выходной сигнал ψ задатчика сигнала управления по курсу 1 подключен ко входу кусочно-линейного функционального преобразователя информации 5, а выходной сигнал инвертирующего усилителя 7 γ поступает на первый вход второго элемента вычитания 8.
Кусочно-линейный функциональный преобразователь информации 5 может быть выполнен известным образом - по [3], а также, в частности, на еще более простых нелинейных элементах (фиг.2). Он включает в себя
релейный элемент 15 с зоной нечувствительности, нелинейный элемент 17 с зоной нечувствительности и линейной частью и сумматор 16.
зад.
Характеристики релейного элемента 15 и нелинейного элемента 17 приведены соответственно на фиг.3 и фиг.4, на которых представлены зависимости их выходных сигналов  и  от величины задающего сигнала ψ по курсу; на схемах обозначено: ρ - зона нечувствительности релейного элемента 15 и нелинейного элемента 17 и уровень сигнала на выходе релейного элемента. Выходной сигнал с сумматора 16  равен:
где  и  выходные сигналы релейного 15 и нелинейного 17 элементов.
зад.
зад
y
Наличие блока 5 - кусочно-линейного функционального преобразователя информации - позволяет реализовать избирательное подключение канала координированного управления. При сигналах |ψ|<ρ канал координированного управления не подключается. Канал курса работает в режиме стабилизации небольших значений ψ. Канал крена работает в режиме стабилизации нулевого значения угла крена γ, поскольку γ=0.
зад.
зад.
зад.
y
зад.
зад.
y
При отработке больших сигналов ψ, обусловливающих в динамике |ψ|≥ρ, канал курса работает в режиме управления по отработке ψ, а канал крена - в режиме управления с отработкой сигнала γ≠0. При завершении переходного процесса канал курса переходит в режим стабилизации заданного значения ψ, а для канала крена по достижении |ψ|<ρ управляющий сигнал γ=0, т.е. ведется стабилизация нулевого значения угла крена.
Таким образом, в кусочно-линейном функциональном преобразователе информации 5 реализуется формирование базового сигнала управления по
крену, равного заданному сигналу управления по курсу при превышении сигналом управления по курсу (по модулю) величины зоны нечувствительности.
Инвертирующий усилитель 7 устройства позволяет реализовать принцип координированного управления в согласовании с требуемым разворотом по курсу благодаря инвертированию входного сигнала и выбору оптимального значения коэффициента усиления этого блока. Апериодический фильтр 6 является фильтром низких частот и позволяет корректно, соответственно динамическим свойствам каналов курса и крена, сочетать сигналы управления по курсу и крену, а также обеспечить плавное подключение канала координации. Ограничители сигнала 4 и 10 обеспечивают требуемое ограничение сигналов и  для каналов курса и крена в соответствии с динамическими ограничениями по маневренности летательного аппарата и определяют корректное сочетание разворотов по курсу с учетом необходимости отработки угла крена.
Все блоки устройства управления являются стандартными и могут быть реализованы на элементах автоматики и вычислительной техники [2, 3].
Таким образом, предложенное устройство формирования сигнала управления боковым движением летательного аппарата позволяет расширить функциональные возможности и повысить точность управления.
Источники информации:
1. В.А.Боднер «Теория автоматического управления полетом» М.: Наука, 1964 г., с.100...110.
2. А.У.Ялышев, О.И.Разоренов «Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики» М.: Машиностроение, 1081, с.103.
3. В.Б.Смолов «Функциональные преобразователи информации» Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981.