3.8.3. Автопілоти військових літаків
15.6. Автопілоти (324)
Автопілот являє собою бортову-автоматичну систему, призначену для стабілізації кутового положення й барометричної висоти польоту ЛА. Літакові автопілоти, крім того, забезпечує приведення літака до горизонтального польоту практично з будь-якого просторового положення.
Кількість каналів автопілоту дорівнює числу автоматично відхиляючихся органів керування ЛА. Сучасні літакові автопілоти в своїй більшості виконуються по триканальній, а вертолітні - по чотириканальній схемі.
Автопілот зазвичай реагує на відхилення регульованих параметрів від їхніх заданих значень. Залежно від величини й знака відхилення автопілот впливає на органи керування ЛА так, щоб виникаючі відхилення зменшити до припустимих значень або ліквідувати повністю.
В склад кожного каналу автопілоту входять наступні основні елементи: задатчики режиму польоту (стабілізуємих параметрів), датчики інформації, механізми узгодження, сумуючій пристрій, підсилювач, виконавчий пристрій, елементи зворотного зв'язку.
Крім того, автопілоти включають в себе пристрої перемикання режимів роботи, сигналізації, контролю й забезпечення безпеки, а також коригувальні пристрої, що поліпшують динамічні характеристики контурів стабілізації.
Літак й автопілот являє собою єдину замкнуту систему автоматичного регулювання й управління.
Структурну схему каналу, типового автопілоту розглянемо на прикладі каналу руля висоти (рис,15.6). Цей канал використовується для керування кутом тангажа й стабілізації висоти польоту літака.
Рис 15.6
Сигнали з датчиків інформації авіагоризонту АГД, датчика кутової швидкості ДУС, коректори висоти КВ і задатчика заданого кута тангажа υз надходять на сумуючий пристрій СУ, де формується сигнал необхідного відхилення руля висоти δвт. Крім того, у СУ через зворотний зв'язок ОС вводиться сигнал фактичного відхилення руля δв який порівнюється з необхідним. В результаті виробляється сигнал, пропорційний помилці відхилення руля в кожен момент часу:
Δ δв= δвт - δв
Сигнал помилки відхилення руля підсилюється підсилювачем У і подається на кермовий агрегат керування РАУ й через гідропідсилювач ГУ приводить кермо в необхідне положення. Як тільки фактичне відхилення руля стає рівним необхідному, сигнал керування зникає й РАУ зупиняється. При будь-яких збурюваннях кермо буде втримуватися в положенні, що забезпечує повернення літака до заданого кутового положенню з необхідним перехідним процесом.
Аналогічні структурні схеми мають канали руля напрямку елеронів.
Розглянемо призначення окремих елементов автопілотів.
Задатчик режиму польоту (стабілізуючих параметрів) виконується у вигляді ручок потенціометрів або невеликих за розміром стройових рукояток керування. Роль задатчиків можуть виконувати також єдині ручки керування ЛА.
Датчики інформації є вимірювальними пристроями які сприймають параметри, що характеризують просторове положення ЛА або його рух навколо відповідних осей.
Як датчики кутів крену й тангажа звичайно використаються центральні гіровертикалі (ЦГВ), гіродатчики авіагоризонтів (АГД) або системи курсу й вертикалі (СКВ), а кутів курсу - гірополукомпаси (ГПК), гіроагрегати курсових систем (КС, КСІ) або СКВ.
Вимірювання кутових швидкостей ЛА здійснюється за допомогою датчиків кутових швидкостей (ДУС) - двоступеневих гіроскопів. Для, роботи автопілоту потрібні сигнали, пропорційні кутовим швидкостям ЛА. Їх одержують шляхом диференціювання сигналів, що знімають із ДУС, або шляхом виміру швидкості повороту з вимірюваної осі ДУС спеціальним тахогенератором, установленим на цій осі.
Для виміру лінійних прискорень ЛА по його осям використаються акселерометри або датчики лінійних прискорень, (ДЛУ).
Відхилення барометричної висоти від заданого значення виміряються коректорами висоти (KB).
Механізми узгодження призначені для запам'ятовування просторового положення ЛА, яке необхідно, стабілізувати. Вони забезпечують стабілізацію значень кутів, які мали місце в момент включення режиму стабілізації. Крім того, механізми узгодження забезпечують так називане "безударне" включення автопілоту, тобто, до моменту включення режиму стабілізації на вході сервопривода підтримується нульовий сигнал. Підключаються МС до входу підсумовуючого пристрою.
Сумуючі пристрої служать для формування керуючого сигналу шляхом алгебраїчного додавання сигналів, які поступають від датчиків інформації, задатчика режиму польоту та пристроїв зворотного зв'язку. Як підсумовуючі пристрої в сучасних автопілотах широко використовуються потенціометричні і мостові схеми, а також магнітні підсилювачі, які, крім додавання вхідних сигналів, підсилюють їх.
Підсилювачі служать для посилення сигналів до величини, здатної управляти кермовим агрегатом (кермовою машиною). В якості підсилювачів в автопілотах використовується електронні, магнітні й релейні підсилювачі.
Виконавчими пристроями автопілоту є кермові агрегати керування, які перетворять електричні сигнали, сформовані в автопілоті, у механічні переміщення проводки керування.
Виконавчі пристрої автопілоту, як правило,впливають на золотники гідропідсилювачів. Вони виконуються електричними, електрогідравлічними або електропневматичні.
Вмикання кермових агрегатів у проводку керування може бути послідовним і паралельним.
При послідовному включенні (рис. 15.7) РАУ вбудовується в проводку керування таким чином, щоб відхилення ручки управління й кермового агрегату складалися, передаючи сумарне відхилення на золотник гідропідсилювач. Льотчик у цьому випадку має можливість втручатися в керування ЛА без вимикання автопілоту.
При паралельній схемі включення (рис. 15.8) для втручання в керування льотчик повинен або "пересилити" автопілот або виключити його. В автопілотах з паралельним включенням РАУ керування ЛА через автопілот здійснюється за допомогою задатчиків на пульті керування (ПУ) і стройової рукоятки (СР).
Режими роботи й закони керування автопілотів залежать від їхніх типів і характеристик стійкості й керованості ЛА, на яких вони встановлюються.
Законом управління автопілоту називають залежність відхилення кермового органа (руля) від вхідних керуючих сигналів автопілоту.
Якщо відхилення руля пропорційне відхиленню від заданого значення параметра і його похідних, то такий закон керування називається статичним. Наприклад, для каналу руля висоти він може мати такий вигляд:
δв=K1ΔV+K2V'+K3V'',
де K1, K2, K3' - передаточні числа каналу руля висоти по куті тангажа і його похідним. Автопілоти, що реалізують статичні закони, називаються статичними автопілотами. При постійно діючому моменті (зміні центрування ЛА) у сталому режимі в таких автопілотах має місце статична помилка регульованого параметра. Пропорційність між керуючими сигналами й кутом відхилення руля досягається в цих автопілотах шляхом установки на вихідному валу РА7 потенціометра зворотного зв'язку (ПОС), що забезпечує жорсткий зворотний зв'язок. Кермові агрегати з підсилювачами, охоплені зворотним зв'язком, називаються сервоприводами.
Якщо не відхилення руля, а швидкість відхилення пропорційна відхиленню регульованого параметра і його похідних:
δ'в=K1ΔV+K2V'+K3V'',
то проінтегруючи рівняння, одержимо відхилення руля:
δв=K1ò0tΔVdt+K2V+K3V',
У цьому випадку відхилення руля залежить ще й від інтеграла відхилення. При постійно діючому моменті спочатку виникає відхилення, а потім автопілот його усуває. Статичної помилки регульованого параметра не буде. Такий закон керування називається астатичним, а автопілоти, що реалізують цей закон керування, називаються астатичними. В астатичних автопілотах звичайно використається швидкісний зворотний зв'язок.
Якщо в ланцюг зворотного зв'язку включене реальна ланка, що диференціює, з передатною функцією: W=(Tocp).( Tocp+1), то канал автопілоту йменується каналом з розірваним зворотнім зв'язком. Ізодромний зворотній зв'язок сполучає в собі властивості як жорсткого так і швидкісного ОЗ. При цьому швидкі зміни керуючого сигналу опрацьовується так само, як і при жорсткому зворотньому зв'язку, а при повільних змінах керуючого сигналу сервопривод здобуває інтегруючі властивості, аналогічні каналу зі швидкісним зворотнім зв'язком.
Найбільше поширення в цей час одержали статичні автопілоти. Основними режимами роботи автопілотів є режими узгодження, стабілізації, керування й приведення до обрію. У режимі узгодження сигнали датчиків інформації про кути тангажа крену й курсу, що надходять у відповідні механізми узгодження, компенсуються за допомогою слідкуючих систем. При цьому поточні кутові координати ЛА приймаються за задані. Таким чином,у режимі узгодження відхилення ЛА від заданих значень кутів тангажа, крену й курсу підтримуються рівними нулю. Це дає можливість включати автопілот у режим стабілізації при будь-якому просторовому положенні ЛА без зсуву його управляючих органів, тобто. забезпечити "безударне" включення РАУ. Режим стабілізації призначений для полегшення пілотуванням ЛА. Керування ЛА при включеному автопілоті виконується єдиною ручкою керування й за своїм характером практично не відрізняється від звичайного пілотування без автопілоту. Але при автопілоті, включеному в режим стабілізації, підвищується стійкість ЛА стосовно кутів крену й тангажа, заданим льотчиком у процесі еволюції. При звільненій від зусиль ручці керування кути, задані льотчиком, будуть стабілізуватися автопілотом до наступного втручання льотчика в керування літаком.
Автопілот дозволяє стабілізувати кути крену, курсу, тангажа й висоту польоту. У режимі стабілізації кути крену й курсу стабілізуються за допомогою каналу елеронів. Стабілізація кута тангажа й висоти польоту здійснюється каналом руля висоти (стабілізатором).
Задані значення стабілізуємих параметрів для автопілотів послідовного типу встановлюються за допомогою єдиної ручки керування. .При втручанні льотчика в керування без вимикання автопілоту за рахунок датчика зусиль, розташованого в шарнірі ручки керування, забезпечується перемикання автопілоту в режим демпфування.
Режим керування характерний для автопілотів паралельного типу. Керування ЛА через автопілот здійснюється з допомогою потенціометрів, розташованих на пульті керування, або стройової рукоятки (див. рис. 15.8). За допомогою зазначених потенціометрів установлюються також задані значення стабілізуємих параметрів.
Режим приведення до обрію служить для приведення ЛА в горизонтальний політ з будь-якого вихідного положення у випадку втрати льотчиком просторового орієнтування, для стабілізації нульових кутів крену γ=О і нахилу траєкторії θ=0, для стабілізації задані висоти й курсу польоту. Приведення до обрію забезпечується спочатку по крену, а потім по тангажу. Після приведення до обрію автоматично включається режим стабілізації курсу й висоти польоту.
Працездатність автопілотів перед польотом перевіряється за допомогою пультів передпольотного контролю (ППК) і пультів перевірки автопілоту (ППА).
У випадку появи відмов у польоті, характерними проявами яких є коливання щодо поздовжньої або поперечної осі, нишпорення ЛА по курсу, розгойдування ЛА та ін., необхідно виключити автопілот за допомогою кнопки аварійного відключення або вимикача. Кнопка аварійного відключення автопілоту розміщається на ручці керування (штурвалі) і має червоний колір. У деяких автопілотах передбачена можливість вимикання тільки каналу, який відмовив.
При виконанні регламентних робіт перевіряються передаточні числа автопілоту і його працездатність. Перевірка передаточних чисел пов'язана з демонтажем гіроскопічних датчиків сигналів υ, ψ, ωx, ωy, ωz й установкою їх на спеціальні поворотні системи. Передаточні числа при необхідності регулюються. Після проведення робіт з автопілоту (заміна агрегатів, регулювання й ін.) необхідний контрольний огляд автопілоту.
Функціональна схема САУ-В24 складена для наступних режимів роботи системи:
- режим узгодження;
- режим стабілізації;
- режим управління;
- режим "МАРШРУТ";
- режим "ПОВОРОТ";
- режим "ВИСІННЯ";
- режим "ВИСОТА";
Утакій же послідовності описана робота функціональної схеми.