Летательный аппарат как объект регулирования

Реферат

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.

18 стр., 8599 слов

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 ... агрегатов Технические особенности стенда Р770Е: автоматический поворот ...

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

12 стр., 5879 слов

Движение жидкости в пористой среде

... от воды жидкостей и газов (например, нефти или воздуха) в пористых средах, когда вкладом силы тяжести в потенциальный напор ... продольный уклон водоупора, или (4.14) Последнее уравнение позволяет определить глубину фильтрационного потока h 0 при равномерном движении, ... Дарси, записанный в форме (14.5) для одномерной задачи (течение в цилиндрической трубе), обобщается на трехмерный случай в виде u ...

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).

10 стр., 4721 слов

Техническое обслуживание рулевого привода автомобилей Газ-53 и Зил

... рулевого привода с передней или задней рулевой трапецией зависит от компоновки автомобиля и его рулевого управления. При этом рулевой привод может быть с неразрезной или разрезной рулевой трапецией. Использование рулевого привода ... изнашивание шин. Рисунок 2 - Схема углов поворота колес. Поворот колес на различные углы обеспечивается так называемой рулевой трапецией, образуемой передней осью, ...

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.

11 стр., 5097 слов

Датчики и сенсоры для контроля мехатронных систем

... выходного сигнала. Динамические характеристики Динамические свойства датчиков зачастую определяют быстродействие всего измерительного устройства. Имеются методы коррекции динамических характеристик путем введения обратных связей по производным от входной ...

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,.