Летательный аппарат как объект регулирования

Автор: Пользователь скрыл имя, 11 Марта 2012 в 18:00, реферат

Описание работы

На летательном аппарате в зависимости от его типа (самолет, ракета, и т.д.), аэродинамической схемы и назначения могут быть применены различные органы управления, такие как аэродинамические рули(руль высоты, руль направления, элероны), поворотные крылья, интерцепторы, газовые рули, поворотные двигатели.

Работа содержит 1 файл

Анализ устойчивости.doc

— 1.28 Мб (Скачать)


8

 

1. Летательный аппарат как объект регулирования

Органы управления ЛА

              На летательном аппарате в зависимости от его типа (самолет, ракета, и т.д.), аэродинамической схемы и назначения могут быть применены различные органы управления, такие как аэродинамические рули(руль высоты, руль направления, элероны), поворотные крылья, интерцепторы, газовые рули, поворотные двигатели.

Наиболее ши­рокое распространение имеют аэродинамические (воздушные) ру­ли. Они представляют собой небольшие несущие поверхности, расположенные на некотором расстоянии от центра масс ЛА. При отклонении соответствующего руля возникает аэродинамическая сила, которая создает момент относительно центра масс ЛА и поворачивает его вокруг соответствующей оси. При непосредственном повороте крыльев (поворотные крылья) значительно быстрее, чем при повороте руля высоты, устанавливается необходимое значение подъемной силы. Однако использование поворотных крыльев усложняет конструк­цию ЛА и требует сравнительно большой мощности привода. По­этому этот вид органов управления обычно находит применение лишь на небольших ЛА, особенно если требуются высокая манев­ренность и широкая полоса пропускания частот.

Интерцепторы (прерыватели по­тока) представляют собой небольшие пластинки, выдвигаемые из профиля крыла или оперения перпендикулярно набегающему пото­ку. Интерцепторы и их привода отличаются простотой, малыми массой и габаритами. Но при отклонении интерцепторов создается большое аэродинамическое сопротивле­ние полету ЛА. Это ограничивает применение интерцепторов.

Газовые рули располагаются в струе газов, вытекающих из сопла двигателя. Они вы­полняются из жаростойких материалов и ведут себя в газовой струе подобно воздушным рулям в потоке воздуха, на газовом руле при его отклонении от нейтрального положения возникает подъемная сила, которая создает момент относительно центра масс и поворачивает ЛА. Их недостатком яв­ляется то, что они обгорают от воздействия раскаленных га­зов, а это ведет к снижению их эффективности, смещению цент­ра аэродинамического давления на руль.

Для управления угловым движением ЛА иногда используют изменение направления силы тяги двигателя. В этом случае камера сгорания двигате­ля  устанавливается в кардановом подвесе и может поворачиваться относительно двух взаимно перпендикулярных осей. При повороте камеры на некоторый угол поворачивается и вектор тяги двигателя. Составляющая вектора тяги, перпендикулярная продольной оси, создает относительно центра масс момент. Применение по­воротной камеры сгорания существенно осложняет конструкцию реактивного двигателя.

Иногда (например, на спутниках) для создания управляющих моментов используются небольшие дополнительные реактивные сопла. Эти сопла могут питаться или от основной камеры сгора­ния, или от источника сжатого газа, или от специальных управляющих двигателей.

 

Пространственное движение ЛА

ЛА является одним из наиболее сложных объектов управле­ния. Движение ЛА как твердого тела в связанной системе коор­динат описывается шестью нелинейными дифференциальными урав­нениями второго порядка (уравнениями Эйлера). Причем силы и моменты, входящие в эту систему уравнений, зависят от вы­соты, скорости и режима полета, от времени полета (изменяют­ся масса и моменты инерции ЛА в результате расхода топлива, сброса груза).

При исследовании процессов управления уравнения движе­ния ЛА упрощают. С этой целью движение ЛА рассматривают как два независимых движения: продольное и боковое. К про­дольному движению относят вращательное дви­жение ДА вокруг поперечной оси Оzс и поступательное дви­жение в направлении продольной Охс и нормальной Оyс осей. Боковое движение включает вращение относи­тельно осей Оxс , Оус и поступательное движение в направ­лении оси Оzс

Уравнения продольного и бокового движения ЛА линеаризуют в предположении, что в процессе полета параметра движения ДА изменяются незначительно. Последнее допущение тем более справедливо, если полет ДА управляется автопилотом.

Уравнения продольного движения и передаточные функции ЛА

В данной работе будем рассматривать продольное движение ЛА. Рассмотрим плоское движение ЛА, при котором вектор ско­рости центра масо совпадает с вертикальной плоскостью. Та­кое движение называется продольным.

Для получения уравнений продольного движения ЛА прирав­няем проекции внешних и инерционных оил на касательную (ось Ох ) и на нормаль (ось Оу ) к траектории, а также внешний и инерционный моменты относительно оси Oz (рисунок.1).

Рисунок 1. К выводу уравнений продольного движения.

 

На ЛА действуют следующие внешние силы:

У - подъемная сила, направленная перпендикулярно век­тору скорости V

X - сила лобового сопротивления, направленная проти­воположно вектору скорости V ;

Р - сила тяги двигателей, которую будем считать на­правленной по связанной оси вперед;

mg - вес тела ( m - масса ЛА; g - ускорение свобод­ного падения);

Мz - аэродинамический момент тангажа.

В соответствии с рисунком 1 можно записать уравнения про­дольного движения в следующем виде:

    (1)

где ( - угол наклона траектории; - момент инерции ЛА относительно поперечной оси; - скорость тангажа.

Внешние силы Р , X, Y и момент сложным образом зависят от ряда параметров:

                      (2)

где ( - параметр, регулирующий тягу двигателя.

Зависимость параметров от высоты Н определяется через плотность воздуха ρ .

Полученная система дифференциальных уравнений (1) является нелинейной математической моделью продольного дви­жения ЛА. При аналитическом исследовании обычно ограничива­ются рассмотрением линеаризованных уравнений.

              После некоторых математических операций получим уравнение удобное для исследования:

   (3)

 

где

В уравнениях (3) коэффициенты с индек­сом 1 характеризуют эффективность аэродинамического демпфиро­вания, коэффициенты с индексом 2 - эффективность момента ста­тической устойчивости, а коэффициенты с индексам 3 - эффек­тивность действия руля.

Запишем передаточные функции ЛА, соответствующие урав­нениям (3).

Преобразование Лапласа для уравнений (3) при нулевых начальных условиях имеет вид:

   (4)

Где s – комплексная переменная.

              Исключая из системы 4 переменные и получим:

Полагая отсутствующим возмущающее воздействие , запишем передаточную функцию тангажа по управляющему воздействию:

Полагая отсутствующим управляющее воздействие , запишем передаточную функцию тангажа по возмущающему воздействию:

 

Для удобства анализа и выяснения смысла входящих в пере­даточные функция коэффициентов будем записывать их в типовой стандартной форме. Так, передаточные функции, характеризующие продольное движение ЛА, запишем в виде:

где -коэффициент передачи ЛА от управляющего воздей­ствия к углу тангажа, - коэффициент передачи ЛА от возмущающего воздей­ствия к углу тангажа, - постоянная времени, характеризующая маневренность ЛА по тангажу, - постоянная времени, равная периоду собственных (недемпфированных) колебаний ЛА по тангажу,    - степень затухания собственных колебаний ЛА по тангажу,    .

Исследование передаточной функции ЛА

              Передаточная функция летательного аппарата по возмущающему воздействию имеет вид:

              Составим структурную схему ЛА по приведенной выше передаточной функции.

 

 

 

Рисунок 2. Структурная схема ЛА

Исследуем устойчивость ЛА по ЛАФЧХ, для этого необходимо произвести расчет всех коэффициентов и постоянных времени. Исходя из задания, высота полета H= м, число маха M=, скорость полета м/с, коэффициенты .

              На основании выше изложенных данных произвели расчет коэффициентов и постоянных времени:

              Зная коэффициенты и постоянные времени, можно построить ЛАФЧХ системы. Анализ систем с помощью ЛАФЧХ весьма прост и удобен. Воспользуемся самым простым графическим методом асимптот, то есть передаточная функция разбивается на элементарные звенья, ЛАФЧХ которых известна, а результирующая ЛАФЧХ строится путем сложения.

              Подсчитаем значение 20lg(k) и логарифмы от постоянных времени:

              ЛАФЧХ представлена в приложении 1.

 

2. Система летательный аппарат – автопилот

Типовая функциональная схема АП

Функциональную схему автопилота рассмотрим на примере АП, состоящего из трех отдельных каналов, т.е. автоматов, воздей­ствующих каждый на свой орган управления угловым положением ЛА: автомат крена элероны, автомат тангажа - на руль вы­соты, автомат курса - на руль направления. Обычно все три автомата выполняются по одинаковым схемам, отличающимся лишь второстепенными деталями. Поэтому для ознакомления с типовой схемой автопилота достаточно ознакомиться со схемой любого из трех каналов управления. На рисунке 3 представлена типовая схема одного из каналов АП. Для общности регулируемый пара­метр обозначен , а отклонение руля.

Сигналы с чувствительных элементов (ДУ, ДУС, ДУУ, ДП), пропорциональные параметрам движения ЛА, преобразуются и сум­мируются в вычислительном устройстве (ВУ), затем усиливаются в усилителе мощности (У) и поступают в качестве командного сигнала на рулевую машинку (РМ), которая, отклоняет орган управления ЛА (руль). Обратная связь с выхода рулевой машин­ки на вход вычислительного устройства применяется в АП для получения желаемого закона управления и улучшения динамических характеристик привода (рулевой машинки). Механизм согласова­ния (МС) служит для автоматической подготовки АП к включению его силовой части.

Рисунок 3. Типовая функциональная схема АП: ДУ - датчик угла; ДУС - датчик угловой скорости; ДУУ - датчик углового ускорения; ДП - датчик перегрузок (датчик линейного ускорения); ЗУ - задающее устройство (задатчик); БФК - блок формирования команд ВУ - вычислительное устройство; У -усилитель; МС - механизм согласования; РМ - рулевая машинка; ОС - устройство обратной связи; ОСрм - устройство обратной связи рулевой машинки

Задающее устройство (ЗУ) служит для введения в AП задан­ного значения регулируемого параметра . В качестве ЗУ могут быть использованы ручка задатчика на пульте AП, про­граммный механизм или блок связи с системой наведения.

В АП могут отсутствовать такие элементы, как ДУС, ДУУ, ДП, МС; обратная здесь может охватывать только РМ.

Системы стабилизации беспилотных ЛА по принципу действия не отличаются от самолетных АП, хотя в конструктивном отношении более просты.

Каналы стабилизации рыскания и тангажа асимметричных объектов по своей схеме не отличаются друг от друга. Все три канала стабилизации таких ЛА обычно независимы и построены по прямой схеме.

В современных самолетах для улучшения качества процесса управления между отдельными каналами AП существуют перекрестные связи. Говорят, что АП построен по перекрестной схеме. С помощью этих связей сигнал, пропорциональный углу рыскания, подается на привод элеронов, а сигнал, пропорциональный углу крена, - на привады руля высоты и руля на­правления. В этом случае, принято называть отдельные каналы АП не по виду регулируемого параметра, а по виду органа управ­ления, обслуживаемого данным каналом. Таким образом, вместо канала крена называют канал элеронов, вместо канала рыска­ния - канал руля направления.

Рулевой привод

              Блок формирования команд, включающий вычислительное устройство (сумматор) и усилитель, совместно с рулевой машин­кой образуют рулевой привод (сервопривод), входом которого является совокупность сигналов на сумматоре, а выходом - угол отклонения руля. Рулевой привод может рассматривать как ав­томатическую систему, предназначенную для управления переме­щением органов управления ЛА рисунок 4.

 

Рисунок 4. функциональная схема рулевого привода

 

В зависимости от типа ЛА, назначения системы управле­ния, требуемых характеристик управления и стабилизации в авто­пилотах могут применяться различные типы рулевых приводов.

 

Рулевой привод с жесткой обратной связью

Жесткая обратная связь () обеспечивает пропорциональность угла отклонения руля величине управляющего сигнала и слабую зависимость этого отклонения от шарнирного момента. Сигнал, пропорциональный углу отклонения руля, при помощи цепи обратной связи сравнивается с управляющим сигна­лом. В качестве элемента обратной связи может быть использо­ван потенциометрический датчик, измеряющий угол отклонения руля. На рисунке 5 показана структурная схема рулевого приво­да с жесткой обратной связью.

Рисунок 5. Структурная схема рулевого привода с жесткой обратной связью

Передаточная функция рулевого привода:

где: - постоянная времени рулевого привода,

   - степень затухания колебаний рулевого привода,     - коэффициент передачи рулевого привода,.

Информация о работе Летательный аппарат как объект регулирования