Из рассмотрения задач, выполняемых системами автоматиче­ского управления, видно, что они должны состоять из ряда авто­матических устройств. На пилотируемых ЛА (самолеты вертоле­ты) к числу этих устройств относятся автоматы управления, ав­ топилоты, автоматы тяги и командные системы управления.

Автоматы управления (демпферы крена, тангажа и рыска­ния, автоматы устойчивости) служат для улучшения динамиче­ских характеристик - управляемости и устойчивости ЛА. При применении автоматов управления ручное управление ЛА ста­новится легким и точным.

  Автоматические устройства, воздействующие на управляющие органы самолета (рули высоты и направления, элероны и т.д.) и обеспечивающие автоматическое пилотирование, называются автопилотами. Близкими по своим функциям являются автоматы тяги - автоматические устройства, служащие для управления скоростью полета.       

  Командные системы управления служат для обработки разнообразной пилотажно-навигационной информации, необходимой для управления на траектории полета, и выдачи ее летчику в удобном для управления виде или подачи ее в автопилот. При применении командных систем роль летчика сводится к отработке сформированных командных сигналов.

   Совокупность указанных автоматических устройств образует систему автоматического управления (САУ) пилотируемых ЛА. Эта система может также включать ряд дополнительных устройств, обеспечивающих управление аэроупругими колебаниями, теплогазодинамическим взаимодействием ЛА со средой, управление полетом в строю и др.

Понятие об автопилоте.

Системы автоматического управления беспилотных ЛА обыч­но включают автопилот и ряд автоматических устройств обес­печивающих наведение на цель, маневрирование и т.д. Иногда автопилот, включающий каналы управления угловыми движе­ниями и скоростью полета, называют автоматом стабилизации, а автоматическое устройство наведения на цель - системой на­ведения. При такой трактовке САУ беспилотных ЛА состоит из автомата стабилизации и системы наведения. В этих системах отсутствуют бортовые командные системы управления, преду­сматривающие непосредственное участие человека в замкнутом контуре управления.

  Автопилот является одним из важнейших элементов любой САУ. Автопилоты различаются структурными особенностями, законами управления, формой сигналов — носителей информа­ции, числом каналов управления и др.

   Принцип действия автопилота виден из схемы системы уп­равления самолетом, показанной на рис. 4. Информация об углах  и угловых скоростях  (крена, рыскания и тангажа) от измерительных систем (см. табл. 1) подается в блок формирования команд системы управления. Вырабатывае­мые в блоке команды поступают на рулевые машины РМ_Э, РМ_Н и РМ_С которые изменяют соответственно положение эле­ронов, руля направления и стабилизатора в таком направлении, чтобы устранить изменения угловых координат и скоростей.

   В блок формирования команд подаются также сигналы обратной связи, пропорциональные углам отклонения рулевых органов .

Рис. 4. Функциональная схема системы управления самолетом.

В ряде случаев в блок формирования ко­манд подаются сигналы ускорений (перегрузок), предельных значений параметров режима полета и т. д.

  Если необходимо стабилизировать координаты центра масс ЛА (высоту полета  и боковое отклонение ), то помимо уг­ловых координат и скоростей измеряют величины  и , где  и — требуемые значения высоты и боковой координаты. В этом случае система управления будет работать до тех пор, пока рассогласования  и  не будут устранены.

   Система управления позволяет автоматически выполнять уг­ловые маневры. Для этого в блок формирования команд зада­ются углы  как функции времени и система управления полетом, исполняя команды, обеспечивает выполне­ние равенств: , то есть в этом случае система управления работает в режиме слежения.

Рис. 5. Структурная схема системы управления полетом

Если сигналы  формируются в системе на­ведения (самонаведения) на основе информации от цели, то си­стема управления обеспечивает наведение ЛА на цель (воздуш­ную или наземную). При управлении строем летательных аппа­ратов сигналы  вырабатываются в системе измерения дистанции, интервала и превышения. Следует только указать, что при управлении строем в системе управления необ­ходимо сформировать еще один канал — канал управления ско­ростью полета путем изменения тяги двигателей.

  Из рассмотрения схемы следует, что система автоматического управления полетом ЛА является многоканальной (число кана­лов равно числу рулевых органов), причем все каналы, замы­каемые через звенья, отображающие динамику и кинематику ЛА, оказываются связанными между собой. Каждый канал уп­равления, в свою очередь, является многоконтурным. На рис. 5 дана структурная схема системы управления полетом.

    Основными элементами системы управления являются: датчики информации  соответственно о коорди­натах рулевых органов, параметрах, характеризующих динамику ЛА, и параметрах, характеризующих его кинематику; блок формирования команд (БФК), включающий вычислительные, преобразовательные, усилительные и другие устройства; рулевые машины (РМ).

Динамические свойства замкнутой системы, включающей САУ и ЛА, определяются динамическими свойствами составля­ющих ее элементов и способами их соединения.

Лекция 4.

План

1. Системы координат, применяемые для определения положения ЛА.

2. Углы, применяемые для определения положения ЛА.

1.7. Системы координат, применяемые для определения положения ЛА.

Летательный аппарат будем рассматривать как материаль­ную точку - в задачах навигации или как твердое тело, систе­му твердых тел, упругое тело — в задачах управления полетом.

Рис. 6. Система координат

Движение ЛА как твердого тела можно рассматривать как слож­ное — движение центра масс и движение вокруг центра масс. Для харак­теристики движения в лю­бой момент времени не­обходимо иметь шесть ко­ординат как функций времени: три координаты движения центра масс и три угловые координаты. При больших скоростях полета в пределах атмо­сферы на ЛА воздейству­ют значительные аэроди­намические силы и момен­ты, что приводит к упру­гим деформациям аппа­рата и изменению его  аэродинамических характеристик. В этом случае на движение ЛА как твердого тела накладываются упругие деформации. В ряде случаев размещенные внутри ЛА тела совершают дви­жения, поэтому аппарат приходится рассматривать как систему твердых тел.

Для определения положения ЛА будем применять следую­щие системы прямоугольных координат (рис. 6):

— неподвижную систему , начало которой совпадает с центром масс ЛА, ось  направлена по вертикали, а оси  и  горизонтальны и имеют фикси-рованное направление по от­ношению к земле;

— связанную систему  с началом в центре масс ЛА, оси которой направлены по главным осям инерции аппарата: ось  — по продольной оси, ось  — в плос-кости симметрии, ось  перпендикулярна к плоскости симметрии;

— скоростную систему  с началом в центре масс ЛА, ось  которой направлена по вектору скорости V, ось  —в плоскости симметрии, ось    перпендикулярна к плоскости симметрии.

1.8. Углы, применяемые для определения положения ЛА.

Положение связанной системы  по отношению к непо­движной системе  характеризуется углами Эйлера . Угол  образуемый при повороте ЛА вокруг продольной оси  относительно положения, при котором поперечная ось  горизонтальна, называется углом крена; угол , образуемый проекцией продольной оси на горизонтальную плоскость и за­данным направлением , называется углом рыскания; угол , образуемый продольной осью ЛА с горизонтальной плоскостью, называется углом тангажа.

  Положение вектора воздушной скорости V относительно свя­занной системы  характеризуется углом атаки , т. е. углом между проекцией указанного вектора на плоскость сим­метрии и продольной осью, и углом скольжения  между век­тором воздушной скорости и плоскостью симметрии. Общее движение ЛА можно разделить на продольное и боковое движения. Продольным называется движение, характери­зуемое вращением вокруг поперечной оси  и поступательным движением в направлении осей  и  Боковое движение со­ставляют вращения вокруг осей  и  и перемещение в на­правлении оси .

  Поскольку движение ЛА непрерывно возмущается действу­ющими на него силами и моментами, то для управления дви­жением необходимо воздействовать на эти силы и моменты, из­меняя их по требуемым законам. В качестве управляемых па­раметров выбирают угловые координаты и координаты центра масс, скорости, ускорения и др. Регулирующими факторами обычно являются углы отклонения рулей высоты  и направле­ния , элеронов , стабилизатора , угол отклонения дросселя двигателя  и т.д.

  Ниже выводятся линеаризованные уравнения движения ЛА и определяются динамические характеристики, позволяющие оце­нивать реакцию аппарата на возмущения, а также рассматри­ваются возмущения, действующие на ЛА при полете в атмо­сфере.

Лекция 5.

План

1. Уравнения продольного движения ЛА.

2. Линеаризация уравнений продольного движения ЛА.