книги / Системы управления летательными аппаратами и их силовыми установками
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство образования
Пермский государственный технический университет
Е.Г. ЖАНЖЕРОВ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫ МИ АППАРАТАМИ И ИХ СИЛОВЫ МИ УСТАНОВКАМ И
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Пермь 2005
УДК 692.7.016 ББК 39.67 Ж27
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Е.В. Славное; исполняющий директор ПНППК В.С. Ермаков
Жанжеров Е.Г.
Ж27 Системы управления летательными аппаратами и их силовыми установками: Учеб, пособие / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2005.- 124 с.
Приведены общие сведения о системах стабилизации летательных ап паратов (ДА), уравнения движения ЛА. Рассмотрены вопросы, касающиеся исследования динамики системы стабилизации при учете углового движе ния ЛА, упругих колебаний корпуса ЛА, колебаний жидкого топлива в ба ках ЛА. Представлен материал по анализу устойчивости и точности системы стабилизации движения центра масс ЛА. Изложена методика выбора зако нов управления, обеспечивающих удовлетворение требований, предъявляе мых к качеству регулирования процессов в системах стабилизации. Рас смотрены вопросы учета влияния нелинейностей автомата стабилизации на работу системы.
УДК 692.7.016 ББК 39.67
© Пермский государственный технический университет, 2005
ВВЕДЕНИЕ
Современная техника управления движущимися объектами достигла весьма высокого уровня совершенства. Особенно наглядны достижения в области построения систем управления летательными аппаратами различ ных классов и различного назначения, которые обусловлены высоким уровнем развития теории управления (методов анализа и синтеза подоб ных систем), элементной базы систем управления, электроники, средств автоматики, цифровых вычислительных средств.
Задача, решаемая при управлении полетом летательных аппаратов, за ключается в обеспечении доставки полезного груза из начальной точки в конечную, которая может быть расположена на земной поверхности, в воздушном или космическом пространстве. В соответствии с вышеизло женным система управления должна выполнять следующие функции: на ведения (навигации) и стабилизации. Под наведением (навигацией) пони мается задание в процессе полета летательного аппарата программного движения, под стабилизацией - отработка программного движения. Сис тема управления летательными аппаратами состоит из системы наведения для баллистических и зенитных ракет, системы навигации для самолетов, крылатых ракет и системы стабилизации.
В настоящем учебном пособии изложен материал, посвященный принципам построения, а также методам анализа и синтеза систем стаби лизации летательных аппаратов.
Системы стабилизации летательных аппаратов представляют собой системы автоматического управления с обратной связью. В их состав вхо дят чувствительные элементы, вычислительные и исполнительные устрой ства. В качестве чувствительных элементов, как правило, используются гироскопические Приборы и акселерометры. Они решают задачу измере ния угловых и линейных параметров движения летательных аппаратов, та ких как углы рыскания, тангажа, крена, а также продольных, вертикальных и боковых ускорений и скоростей. Вычислительные устройства, в качестве которых используются бортовые вычислительные машины (бортовые ком пьютеры), предназначены для реализации в них алгоритмов управления, обеспечивающих устойчивость системы и требуемую точность отработки программного движения. Вопросам синтеза данных алгоритмов в настоя щем учебном поспбИи уделено основное внимание. Значительное место в пособии занимает Материал, посвященный рулевым приводам - исполни тельным элементам систем стабилизации. Рассмотрены типы рулевых при водов, используемЫХ в системах стабилизации, влияние их инерционности
инелинейности статических характеристик на динамику системы. Для ис следования динамики системы используются частотные методы, основан ные на применении современного математического аппарата z- и w-npe- образований. При изложении материала реализован принцип «от простого к сложному», поэтому пособие в равной степени может быть использовано как студентами аэрокосмических и авиационных вузов, так и аспирантами
инаучными работниками, занимающимися исследованием и проектирова нием систем управления летательных аппаратов.
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ СТАБИЛИЗАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫ Х АППАРАТОВ
1.1. Назначение системы стабилизации летательных аппаратов
Система стабилизации летательных аппаратов (Л А ) выполняет сле
дующие основные функции:
1. Осуществляет программные развороты по углам тангажа и враще
ния.
2.Стабилизирует движение ЛА относительно центра масс.
3.Подавляет упругие колебания корпуса ЛА.
4.Подавляет колебания жидкого наполнения баков Л А при использо вании жидкостного реактивного двигателя.
5.Стабилизирует движение центра масс ЛА.
Поясним подробнее данные функции.
В процессе полета Л А с целью его определенной ориентации осуще ствляется программный разворот по углам тангажа и вращения.
Программный разворот по углу тангажа производится либо в функции времени t (рис. 1.1, а), либо в функции кажущейся скорости w (рис. 1.1, б). В первом случае полет ЛА осуществляется по жесткой траек тории, во втором - по гибкой. Разворот по углу вращения ф выполняется в функции времени.
Рис. 1.1
В полете на Л А действуют различные возмущения, которые приводят к отклонениям углов разворота ЛА, а также параметров движения (скоро стей, координат) от программных значений. Следует уменьшать данные отклонения до допустимых пределов.
В процессе полета Л А под действием различных сил его корпус может изгибаться, что приводит к возникновению упругих колебаний корпуса. Эти колебания могут иметь расходящийся характер, в результате чего в конечном счете может произойти деформация и излом корпуса ЛА. Возни кает задача эффективного подавления этих колебаний. При наличии на
борту ЛА жидкостного двигателя баки ЛА заполнены топливом, которое при движении аппарата колеблется. Эти колебания могут привести к воз никновению расходящихся колебаний корпуса ЛА, что недопустимо.
Все вышеизложенное обусловливает необходимость постановки на борт системы автоматического управления, решающей поставленные задачи.
1.2. Функциональная схема системы стабилизации
Угловое движение и движение центра масс Л А взаимосвязаны. Одна ко в связи с тем, что частоты углового движения и движения масс отлича ются примерно на порядок, можно условно разделить эти два движения. В соответствии с данным положением систему стабилизации разделяют на две системы: систему стабилизации углового движения Л А (СУС) и сис тему стабилизации движения центра масс (ССЦМ). СУС и ССЦМ пред-
Рис. 1.2
ставляют собой системы автоматического регулирования с обратной свя зью, как в непрерывном, так и дискретном исполнении. Принципиальное отличие указанных выше вариантов исполнения заключается в том, что в первом случае для управления применяется аналоговое вычислительное устройство, во втором случае - дискретное, в качестве которого использу ется бортовая цифровая вычислительная машина. На рис. 1.2 представлена типовая функциональная схема системы стабилизации аналогового типа, а на рис. 1.3 - дискретного типа. На рисунках обозначено: ЧЭ - чувстви тельный элемент; АВ У - аналоговое вычислительное устройство; БЦВМ - бортовая цифровая вычислительная машина; РП - рулевой привод; РО - рулевой орган; ОР - объект регулирования; А/К - преобразователь аналогкод; К/А - преобразователь код-аналог.
Рис. 1.3
Принципиально работа аналоговой системы стабилизации не отлича ется от работы дискретной системы и заключается в следующем.
Чувствительный элемент измеряет угловые либо линейные параметры движения ЛА, которые в аналоговом либо дискретном виде поступают в вычислительное устройство, где осуществляется преобразование входного сигнала с целью обеспечения требований к устойчивости, качеству регу лирования и точности системы. Выходная информация с вычислительного устройства после преобразования в аналоговую форму поступает на руле вой привод, который воздействует на рулевые органы ЛА, в результате че го происходит уменьшение отклонений параметров движения Л А от про граммных значений.
Следует отметить, что при использовании в системе стабилизации дискретного рулевого привода преобразователь код-аналог отсутствует. В этом случае дискретно-аналоговое преобразование происходит в самом рулевом приводе.
Известно, что в дискретной системе стабилизации, содержащей циф ровую вычислительную машину (см. рис. 1.3), происходят два процесса: квантование сигнала по времени и квантование сигнала по уровню.
Исследование и проектирование системы автоматического управле ния при одновременном учете указанных выше факторов является весьма сложной задачей. Поэтому можно сделать следующее допущение. На предварительном этапе эскизного проектирования не учитывается процесс квантования сигнала по уровню. В этом случае цифровая система стабили зации движения Л А (см. рис. 1.3) преобразуется в импульсную (рис. 1.4), отличие которой от Цифровой заключается в том, что преобразователь ана лог-код заменяется импульсным элементом (прерывателем), осуществ ляющим квантование сигнала по времени, преобразователь код-аналог - запоминающим устройством (ЗУ), осуществляющим восстановление не прерывного сигнала из импульсного, а бортовая ЦВМ - дискретным вы числительным устройством (ДВУ).
Рис. 1.4
В остальном работа функциональной схемы системы стабилизации импульсного типа аналогична работе цифровой схемы.
1.3. Уравнения движения летательного аппарата
Рассмотрим линеаризованные уравнения ЛА как жесткого, твердого
тела.
Угловое движение Л А описывается уравнением моментов, а движение центра масс - уравнением сил [ 1].
Уравнения бокового движения:
У = ~byZz ~ |
|
—Ьуф + М у , |
(1*1) |
z —~~b22z ~ |
Fz • |
(1*2) |
|
Уравнения нормального движения: |
|
|
|
Д9 + Ь^уУ + |
Д9 + |
Д9 + 6g§5 = М $ , |
(1.3) |
У + Ьууу + Ьу§Д9 + by$ = Fy, |
(1.4) |
||
где ij/ - угол рысканья;
ДЭ - отклонение угла тангажа; z - боковое отклонение;
у - отклонение по нормали к траектории; 5 - отклонение рулевых органов ЛА:
Му,М$ - приведенные возмущающие моменты;
FZbFy - приведенные возмущающие силы.
Так как уравнения бокового и нормального движения Л А аналогичны, то физический смысл коэффициентов уравнений (1.1) - (1.4) рассмотрим на примере бокового движения. Эти коэффициенты характеризуют сле дующее:
Ъщ - влияние движения центра масс Л А на угловое движение при
полете Л А в атмосфере; буф - демпфирование при угловом движении ЛА в атмосфере;
Ьуj/y - степень собственной статической устойчивости ЛА;
6ц,6- эффективность рулевых органов ЛА, коэффициент при управ ляющем моменте;
Ъ22 ~ демпфирование при линейном перемещении ЛА в атмосфере;
bZy - влияние углового движения ЛА на движение центра масс, то есть коэффициент при боковой составляющей силы тяги и аэро динамической силы;
bz5- коэффициент при управляющей силе, развиваемой рулевыми ор ганами ЛА.
Приведенный возмущающий момент
(1.5)
где Му - возмущающий момент,
1у- момент инерции ЛА относительно оси ОУ i связанной системы ко ординат.
Приведенная возмущающая сила
Fz = — , |
0 -6) |
т |
|
где т - масса ЛА.
Fz - возмущающая сила.
Коэффициенты уравнений, описывающих нормальное движение ЛА, имеют аналогичный физический смысл.
Графики изменения основных коэффициентов уравнений ЛА приве
дены на рис. 1.5. |
|
|
|
Уравнение |
канала |
вращения |
имеет |
следующий вид: |
|
|
|
Ф |
^ффф |
= ^ф • |
(1*7) |
Здесь бфф характеризует демпфирование при
развороте ЛА в атмосфере; 6ф5 - эффектив ность управляющих органов.
Приведенный возмущающий момент
- м ф
М ф= - ^ , |
( 1.8) |
* X |
|
где Мфвозмущающий момент;
1Х- момент инерции ракеты относительно ее продольной оси.
Как видно из зависимостей (1.1) - (1.8), уравнения движения ЛА име ют достаточно громоздкий вид, что весьма осложняет процедуру исследо вания системы стабилизации аналитическим способом. Однако, рассмот
рев соотношения членов дифференциальных уравнений (1.1) - (1.7), мож но сделать ряд допущений, упрощающих данные уравнения. Так, влияние членов, характеризующих взаимосвязь углового движения Л А и движения центра масс, а также демпфирующих членов в уравнениях (1.1), (1.3) на динамику углового движения значительно меньше, чем других членов, по этому ими можно пренебречь. Из уравнений (1.2), (1.4) по аналогичной причине можно исключить демпфирующие члены и члены, характери зующие управляющие силы. При учете принятых выше допущений урав нения бокового движения примут следующий вид:
vj/ — |
М у , |
(1.9) |
^ 4" |
= ^z• |
(1.10) |
Уравнения нормального движения могут быть записаны аналогичным образом. Следует отметить, что данные упрощения можно осуществить на первоначальном этапе эскизного проектирования системы стабилизации при аналитических расчетах. На заключительном этапе проектирования, например при моделировании, отброшенные члены уравнений должны быть учтены.
1.4. Возмущения, действующие на летательный аппарат в полете
Под возмущениями будем понимать силы и моменты, вызывающие отклонения движения Л А от программной траектории. Все возмущения можно подразделить на атмосферные, аэродинамические; ветровые и тех нологические [ 1].
Атмосферные возмущения. Атмосферными возмущениями называ ются отклонения характеристик атмосферы от программных значений. Ос новными атмосферными возмущениями являются:
-отклонение плотности атмосферы;
-отклонение давления воздуха;
-отклонение температуры воздуха.
Отклонение плотности атмосферы от расчетного значения приводит к отклонению составляющих полной аэродинамической силы и аэродинами ческого момента. Отклонение плотности атмосферы изменяется с высотой и зависит от сезона (времени года). Сезонные изменения плотности атмо сферы учитываются путем задания нескольких программ управления (ка ждая для определенного времени года).
Отклонение давления воздуха от программного значения приводит к отклонению давления на выходе реактивного сопла, что обусловливает от клонение тяги двигателя. Отклонение температуры от программного зна