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.
Разработка конструкции стенда-кантователя для ремонта двигателя ...
... Масса Стоимость, Параметр размеры двигателя, град кг нетто, кг рублей (ДхШхВ), мм 1500х920x Значение 360 1200 129 159740 1055 Стенд Р770Е (рисунок 1.3) предназначен для разборки и сборки двигателей, КПП, задних мостов и ...
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.
Основное уравнение МКТ
... время столкновения много меньше времени свободного движения между столкновениями. 2. Основные уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа Газ называют идеальным, если: 1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом ...
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).
Система управления самолета ЯК
... системы автоматического управления САУ-42. Таблица 3. Управление рулем направления Рис. 2 Управление руля направления Система управления элеронами самолёта Як-42. Управление элеронами осуществляется штурвалами, соединённым через жёсткую проводку с элеронами, а также рулевой машиной ...
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.
Судовые устройства
... направляющие, насадки, активные рули, подруливающие устройства и вспомогательные движительно-рулевые колонки (ВДРК). Якорное устройство., Якорное устройство Якоря в зависимости от их назначения разделяют на становые, ... системы либо путем жесткой кинематической связи между рулевой машиной и рулем (зубчатые секторы, винты). Различают румпельный, секторный и винтовой приводы. Румпельный ...
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,.
