ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРОДОЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ САМОЛЕТОМ

Изобретение относится к системам управления самолетом, а именно к системам полуавтоматического управления.

Известны аварийные системы продольного управления самолетом посредством перестановки руля высоты (РВ) или стабилизатора от рычага (кнюппеля) триммирования, например, на с-те Бе-103 (1). Такие системы обычно используются на легких самолетах, где дублирование проводки управления, установка механизмов расцепки и т.п. нецелесообразны из-за весовых ограничений. В случае заклинивания или обрыва проводки продольного управления такая система позволяет летчику выполнять управление в канале тангажа самолета путем нажатий кнюппеля продольного триммирования «на себя» или «от себя». От нажатия кнюппеля включается механизм триммерного эффекта (МТЭ) или раздвижная тяга (РТ) и перемещает стабилизатор или РВ «на кабрирование» или «на пикирование».

Подобная система продольного управления является аналогом предлагаемого изобретения по средствам взаимодействия с летчиком (кнюппель продольного триммирования) и по назначению (аварийное управление).

Как известно, в отличие от управления «по положению» или «по усилию», ручное пилотирование «по кнопке», когда переключением положений кнопки задается отклонение руля с постоянной скоростью на увеличение или на уменьшение, не может выполняться с высокой точностью. Как свидетельствует опыт исследований на пилотажном стенде, выполнение большинства простых маневров, в том числе и движение по глиссаде при заходе на посадку, не вызывает затруднений при продольном управлении от кнюппеля триммирования. Однако выполнение маневров, требующих высокой точности, например, выравнивание перед посадкой, вызывает при таком способе управления значительные трудности: высока вероятность «перерегулирования», высока степень психофизической напряженности пилотов. Современные средства автоматизации управления полетом могут быть выполнены на основе цифровых устройств, имеющих небольшой вес, который приемлем и для использования на легких самолетах. В то же время современные системы автоматического управления (САУ) даже на самолетах, оснащенных сложными бортовыми комплексами, как правило, не обеспечивают выполнение автоматической посадки. Т.е. заключительный этап посадки должен выполняться при участии летчика, следовательно, система аварийного продольного управления должна быть полуавтоматической.

Известны системы (2) полуавтоматического управления самолетом «параллельного действия», которые содержат средства улучшения устойчивости и управляемости (демпферы и т.п.). Они применяются в тех случаях, когда характеристики устойчивости и управляемости самолета не соответствуют возможностям человека. В такой системе за летчиком сохраняются все функции, выполняемые им при ручном пилотировании, а средства автоматизации обеспечивают улучшение динамики управляемого объекта.

Недостатком такой системы с точки зрения решаемой задачи является то, что управление «по кнопке» не обеспечит приемлемую точность даже для самолета с идеальными динамическими характеристиками устойчивости и управляемости.

Известна также САУ самолетом, которая содержит подсистему управления разворотом и тангажом (3). В такой системе предусмотрена рукоятка управления тангажом (задатчик тангажа). Изменяя положение этой рукоятки, летчик управляет режимами набора высоты или снижения. Как средство автоматизированного продольного управления самолетом контур тангажа САУ с рукояткой управления тангажом взят в качестве прототипа предлагаемого изобретения. После поворота этой рукоятки САУ автоматически переводит самолет на заданный угол тангажа (если заданное значение угла тангажа допустимо с учетом ограничений по углу атаки или скорости пикирования) и затем стабилизирует его.

Недостатком прототипа с точки зрения построения на его основе полуавтоматической (оперативно контролируемой пилотом) системы управления является то, что принцип работы, а также конструктивное исполнение и расположение рукоятки управления тангажом известных САУ не предполагают ее использование в режиме, сходном с ручным пилотированием. Т.е. не предполагается, что летчик, наблюдая все параметры полета, в том числе и внекабинное пространство, будет при помощи этой рукоятки постоянно регулировать тангаж самолета в соответствии с текущей ситуацией, например по мере приближения к точке выравнивания на посадке. В прототипе величина заданного тангажа устанавливается оцифрованной рукояткой, расположенной, например, на приборной доске. Чтобы определить необходимость изменения поворота рукоятки, например, в случае, когда летчик видит, что текущий (наблюдаемый) тангаж велик, ему потребуется прочитать величину (цифру) заданного тангажа, сравнить ее с величиной текущего и, если заданный тангаж равен или больше текущего, повернуть рукоятку на уменьшение. Но необходимости в повороте рукоятки может и не быть, если заданный тангаж уже меньше текущего (автоматика еще не успела отработать, или произошел заброс от перерегулирования). В последнем случае, если летчик все же повернет рукоятку на уменьшение, заданный тангаж может оказаться значительно меньше «желаемого». Тогда через несколько секунд САУ выполнит это чрезмерное уменьшение, и летчик должен будет вмешиваться в управление снова уже для увеличения заданного тангажа. Такая процедура управления не согласуется с обычными навыками ручного управления, когда отклонение, например, кнюппеля продольного триммирования означает команду просто уменьшать или увеличивать текущее (наблюдаемое) значение параметра независимо от предыстории (предыдущих команд). С учетом этого, для определения заданного тангажа лучше применить принцип, при котором, например, в случае, когда летчик видит, что текущий (наблюдаемый) тангаж велик, он сразу отклоняет кнюппель на уменьшение тангажа (без считывания и анализа цифровых значений ранее назначенного заданного и наблюдаемого текущего углов тангажа). При этом само значение заданного тангажа в начальный момент отклонения кнюппеля должно приравниваться текущему, а затем изменяться (увеличиваться или уменьшаться) пропорционально времени удержания кнюппеля в отклоненном состоянии. При заходе на посадку летчик должен одной рукой регулировать тягу двигателей, а другой контролировать ручку управления самолетом (или штурвал). Даже в случае обрыва или заклинения проводки продольного управления удерживать штурвал необходимо для управления самолетом по крену. Т.е. регулятор заданного тангажа (задатчик) лучше расположить на ручке управления. С точки зрения переноса навыков целесообразно задатчик угла тангажа совместить с кнюппелем продольного триммирования. Переход от режима обычного использования кнюппеля к режиму задатчика тангажа в системе полуавтоматического управления определяется положением специального тумблера или кнопки.

Выбранный авторами способ решения задачи можно определить как «оперативно управляемый автопилот». При этом элементы известных САУ дополнены средствами оперативного управления, которые позволяют летчику изменять величину стабилизируемых автопилотом параметров на основе тех же навыков регулирования и, практически, в том же темпе, как это происходит при ручном управлении.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка полуавтоматической системы управления для повышения безопасности посадки на тех самолетах, где для аварийного продольного управления используются приводы триммирования МТЭ или РТ, контролируемые посредством нажатия кнюппеля.

Поставленная задача достигается тем, что в полуавтоматической системе аварийного продольного управления, содержащей блок формирования заданного угла тангажа, задатчик тангажа, датчики параметров движения самолета, блок стабилизации заданного тангажа и блок выдачи дискретных ключей для привода триммирования РВ, в блок формирования заданного тангажа включены блок изменения значений и блок определения ключа начальных условий, а в качестве задатчика тангажа используется кнюппель триммирования. При этом блок изменения значений использует в качестве входа сигнал о положении кнюппеля триммирования на штурвале (ручке) и в зависимости от знака этого сигнала увеличивает или уменьшает величину заданного тангажа, но при поступлении ключа сброса в начальные условия приравнивает значение своего выхода (заданного тангажа) значению текущего (измеренного) тангажа самолета, а ключ сброса в начальные условия выдается блоком определения ключа начальных условий в первый момент переключения кнюппеля триммирования из нейтрального положения, а также при выключенном положении включателя автоматизированного режима управления.

Основным отличием предлагаемой системы от прототипа является возможность для летчика изменять величину стабилизируемых параметров на основе тех же навыков регулирования и, практически, в том же темпе, как это происходит при ручном управлении. Это достигается, во-первых, таким алгоритмом блока формирования заданного тангажа, при котором задаваемые летчиком изменения всегда определяются «от достигнутого», т.е. он может формировать управление в непосредственной связи с текущим (наблюдаемым) поведением самолета. Во-вторых тем, что для изменения заданного тангажа применен кнюппель триммирования, который расположен на штурвале (ручке) и используется в сходном с режимом ручного управления качестве.

При наличии на борту соответствующих надежных средств измерений в качестве управляемого параметра может быть выбран не тангаж, а угол наклона траектории (или вертикальная скорость), что позволило бы лучше управлять этапами посадки непосредственно перед касанием, где определяющим параметром является скорость сближения с землей. Однако при условии, что летчик регулированием тяги будет правильно выдерживать скорость, предложенная полуавтоматическая система управления (на основе доступных на любом самолете надежных измерений тангажа) тоже должна быть приемлемой.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 изображена структурная схема предлагаемой полуавтоматической системы аварийного управления;

- на фиг.2 показаны примеры заключительных этапов посадки выполненных на пилотажном стенде, с исходной аварийной системой продольного управления (фиг.2а, 2б) и с применением предлагаемой полуавтоматической системы (фиг.2в, 2г);

- на фиг.3 показано поведение параметров полуавтоматической системы управления на одном из фрагментов захода на посадку.

Полуавтоматическая система аварийного продольного управления самолетом сформирована на основе оперативно управляемой САУ тангажа (фиг.1) и включает в себя расположенный на ручке управления (штурвале) кнюппель триммирования 1, сигнал от которого поступает либо в блок 2 формирования заданного угла тангажа, либо непосредственно на привод триммирования 3 в зависимости от положения включателя 4 автоматизированного режима. В блоке 2 формирования заданного угла тангажа сигнал о положении включателя 4 автоматизированного режима и сигнал от кнюппеля 1 поступают в блок 5 определения ключа начальных условий. Выход блока 5 является одним из входов блока 6 изменения значений. Другими входами блока 6 являются сигнал от кнюппеля 1 и измеренный в блоке 7 датчиков параметров движения самолета текущий угол тангажа. Полученная в блоке 6 величина заданного угла тангажа поступает в блок 8 стабилизации заданного тангажа. Туда же поступают параметры движения самолета из блока 7 и текущий угол руля высоты. Полученный в блоке 8 заданный угол РВ, а также текущий угол РВ поступают в блок 9 выдачи дискретных ключей. Выход блока 9 направляется на привод триммирования 3.

Блок 8 стабилизации тангажа работает как известные САУ тангажа, т.е. для достижения заданного угла тангажа с учетом измеренных блоком 7 датчиков параметров движения самолета (в том числе текущего угла тангажа), а также с учетом текущего положения РВ, этот блок автоматически определяет заданный угол РВ. Команды приводу триммирования 3 «на пикирование» (+1) или «на кабрирование» (-1) формирует блок 9 выдачи дискретных ключей на основе сравнения текущего и заданного углов РВ, а также с учетом точностных характеристик привода, т.е. он должен также устранять возможность попадания привода в «звонковые» режимы.

Для изменения угла тангажа летчик использует расположенный на ручке управления или на штурвале кнюппель триммирования 1, который в зависимости от положения переключателя 4 может работать либо в обычном режиме непосредственного (ручного) управления приводом триммирования 3, либо в режиме выдачи сигналов на изменение заданного значения угла тангажа для автоматизированного управления. В блоке 2 формирования заданного угла тангажа инвертированный сигнал от кнюппеля триммирования 1 является входным для блока 6 изменения значений, т.е. при положении кнюппеля триммирования 1 «на пикирование» значение заданного тангажа уменьшается, и наоборот. Блок изменения значений может быть выполнен либо в виде интегратора (изменение пропорционально времени удержания кнюппеля в отклоненном положении), либо как генератор дискретных приращений (отклонение кнюппеля триммирования 1 от нейтрали вызывает однократное приращение заданного тангажа на некую величину независимо от времени удержания). В варианте интегратора скорость изменения заданного тангажа может быть как постоянной (выбранной для данного типа самолета), так и управляемой: задаваемой летчиком из кабины или выбираемой в вычислителе САУ в зависимости от режима полета. Аналогичным образом может выбираться величина однократного приращения в варианте генератора дискретных приращений. Особенностью блока 6 является то, что при наличии ненулевого значения на входе «ключ сброса (КС=1) в начальные условия (НУ)» значение выхода этого блока становится равным сигналу, поданному на вход «значение НУ». На вход «значение НУ» подается текущий тангаж самолета. После получения КС=0 выполняется либо интегрирование сигнала от кнюппеля триммирования 1, либо дискретное приращение (с учетом принятого при КС=1 значения НУ).

Ключ сброса в НУ определяется в блоке 5 по принципу: заданный тангаж нужно приравнять текущему в момент, когда летчик вывел кнюппель из нейтрального положения. Посредством ключа НУ заданный тангаж приравнен текущему также во все время, пока переключатель 4 стоит в положении ручного управления, т.е. после включения автоматизированного управления до первого нажатия на кнюппель 1 блок 8 стабилизации будет выдерживать то значение тангажа, которое было в момент включения.

Как показано на фиг.2, применение полуавтоматической системы аварийного управления, практически, исключает раскачку самолета по тангажу, характерную для обычного управления посредством кнюппеля триммирования, и обеспечивает выполнение касания с малой перегрузкой.

Представленные на фиг.2 и 3 результаты экспериментов получены без оптимизации блока 9 выдачи дискретных ключей. Оптимизация этого блока должна исключить или уменьшить многократные переключения привода триммирования в процессе выдерживания заданного тангажа.

Предложенный принцип управления можно применить не только в качестве аварийного, но и как один из вариантов штатного полуавтоматического управления. По аналогии с продольным каналом может быть разработана подобная система и для управления разворотом (курсом).

Источники информации

1. Самолет-амфибия Бе-103. Руководство по летной эксплуатации. 2001 г.

2. «Бортовые системы управления полетом» под ред. Ю.В.Байбородина. М.: Транспорт, 1975, с.135.

3. «Бортовые системы управления полетом» под ред. Ю.В.Байбородина. М.: Транспорт, 1975, с.274 (прототип).