Материал: 3-19

2 Общие сведения об устройстве и принципе действия автопилота

Автопилот предназначен, прежде всего, для облегчения работы летчика при пилотировании вертолета.

Полет вертолета как движение в пространстве всякого свободного тела можно рассматривать состоящим из вращения вокруг центра тяжести относительно 3-х осей и движение центра тяжести относительно земли (вдоль каждой из 3-х осей). Вращение вертолета вокруг центра тяжести принято называть угловым движением, движение центра тяжести - траекторными движениями. При пилотировании летчик управляет как угловыми движениями, так и траекторными.

2.1 Управление угловыми движениями вертолета

Конечной целью пилотирования является управление перемещением центра тяжести вертолета относительно земли, т. е. управление траекторными движениями. Однако необходимым условием выполнения траекторных движений является обеспечение стабилизации угловых движений вертолета. Так как по угловым движениям вертолет является неустойчивым, то обеспечение стабилизации угловых движений вертолета требует затраты больших усилий со стороны летчика отвлекая его от выполнения основных функций. При этом процесс управления летчиком угловыми движениями можно рассматривать как работу замкнутой системы регулирования «вертолет-летчик».

При изменении вертолетом заданного углового положения летчик получает об этом визуальную информацию, либо по земным ориентирам, либо по указателям курса (направления), крена и тангажа.

Реагируя на это изменение, летчик воздействует посредствам рычагов управления на органы управления вертолетом (рисунок 2) и возвращает его к первоначальному положению. Информация об этом воспринимается летчиком и является как бы обратной связью в замкнутой системе управления. В зависимости от того, с какой интенсивностью вертолет возвращается к первоначальному положению, летчик соответствующим образом регулирует и интенсивность воздействия на рычаги и следовательно на органы управления.

Автопилот предназначен для разгрузки летчика от управления угловыми движениями вертолета, обеспечивая стабилизацию угловых положений. При этом за летчиком остается функции контроля.

Автопилот представляет собою устройство, воспринимающее информацию об изменении угловых положений вертолета и отклоняющее соответствующим образом органы управления. Для получения информации об изменении угловых положений вертолета служат чувствительные элементы (рисунок 3), в качестве которых используются дистанционные датчики углов курса, крена и тангажа и датчики угловых скоростей вращения вертолета вокруг 3-х пространственных осей.

Рисунок 2 - Схема ручного управления вертолетом

Рисунок 3 - Схема включения каналов угловой стабилизации в систему управления вертолетом

Сигналы с чувствительных элементов поступают в автопилот, где преобразуются, усиливаются и затем воздействуют на органы управления. Таким образом, автопилот выполняет функции летчика по обеспечению стабилизации угловых положений вертолета, при этом работает замкнутая система автоматического регулирования «вертолет-автопилот» (контур 1). При этом особенностью данного автопилота является сохранение замкнутой системы регулирования «вертолет-летчик» (контур 2) даже при работающем автопилоте. Это значит, что на органы управления могут воздействовать и летчик, и автопилот одновременно. Возможность такой совместной работы летчика и автопилота осуществляется по средствам так называемого дифференциального управления, при котором результирующее перемещение органов управления вертолета равно алгебраической сумме перемещений от управляющих воздействий летчика и автопилота. Дифференциальное управление осуществляется на вертолете при помощи электрогидравлических комбинированных агрегатов управления (типа КАУ-30Б, РА-60А, РП-28), устанавливаемых в систему управления вертолетом. Выходной шток таких рулевых агрегатов может перемещаться как от рычагов управления летчика (при этом рулевой агрегат работает как гидроусилитель, необходимый в системе управления вертолета для уменьшения усилий, прикладываемых летчиком к рычагам управления), так и от электрических сигналов автопилота, которые управляют перемещением якоря специального электрического поляризованного реле, установленного в рулевом агрегате. Якорь поляризованного реле перемещает специальный золотник (или сопло-заслонку), перемещение которых в свою очередь вызывает перемещение выходного штока рулевого агрегата. Конструкция рулевого агрегата такова, что перемещение органов управления от сигналов автопилота не передаются на рычаги управления летчика и ограничены 20% полного перемещения органов управления. Такое ограничение необходимо для обеспечения безопасности полета в случаи отказа автопилота, т. к. большинство возможных отказов автопилота сопровождается появлением одностороннего сигнала на выходе и быстрым отклонением органов управления.

Однако в некоторых случаях (например, в канале направления при разгонах или торможениях) такого запаса управления для автопилота недостаточно и стабилизация в этих случаях может нарушиться. Чтобы этого не происходило, в системе путевого управления вертолетом применены специальные рулевые агрегаты (типа РА-60А) с так называемой «перегонкой».

«Перегонка» как бы расширяет запас управления для автопилота, заставляя перемешаться рычаги управления летчика, в ту же сторону, в которую не хватило запаса управления автопилота. Скорость «перегонки» из условия безопасности выбирается достаточно малой (≈10% от максимальной).

Суммарное перемещение органов управления (от автопилота и от «перегонки») вызывает движение вертолета к первоначальному положению, что привет в свою очередь к автоматическому выключению «перегонки». При этом, хотя стабилизация восстанавливается, запас управления от автопилота оказывается исчерпанным.

В случаи необходимости летчик может остановить «перегонку» и заставить органы управления двигаться в нужном направлении, приложив определенное усилие к рычагам управления.

Угловое положение вертолета относительно каждой из 3-х пространственных осей - продольной, поперечной и вертикальной называется соответственно креном, тангажом и курсом (направлением).

Для управления креном летчик воздействует на ручку управления в поперечном направлении, для управления тангажом в продольном направлении.

Для управления курсом летчик воздействует на педали.

Для обеспечения автоматического управления курсом, креном и тангажом, автопилот имеет три независимых канала, воздействующие на соответствующие органы управления (аналогично летчику):

канал направления - на шаг хвостового винта,

канал крена - на автомат перекоса в поперечном направлении,

канал тангажа - на автомат перекоса в продольном направлении.

2.2 Управление высотой полета

При выполнении горизонтальных полетов летчику довольно часто приходится воздействовать на ручку «шаг-газ» для поддержания неизменной высоты. Для разгрузки летчика от этой работы в автопилоте предусмотрен канал высоты, воздействующий на общий шаг несущего винта вертолета (рис.4).

В качестве чувствительного элемента используется корректор высоты, выдающий в автопилот сигнал изменения барометрической высоты полета. В отличие от каналов угловой стабилизации, где одновременно могут работать два контура: «вертолет-летчик» (контур 2) и «вертолет-автопилот» (контур 1), в канале высоты при вмешательстве летчика в управление автопилот отключается (выключатель В1 разомкнут). В остальном работа контура стабилизации высоты аналогична работе контура угловой стабилизации.

2.3 Управление скоростью полета

Кроме стабилизации угловых движений и высоты полета вертолета на большинстве режимах требуется поддержание неизменной скорости полета. На вертолете управление скоростью полета происходит при помощи тех же рычагов управления, что и управление углом тангажа, т. к. скорости полета вертолета при неизменном при неизменном общем шаге зависит главным образом от угла тангажа вертолета. Хотя стабилизация угла тангажа косвенно обеспечивает стабилизацию скорости полета, но точность стабилизации при этом недостаточна.

Рисунок 4 - Схема включения канала высоты автопилота в систему управления вертолета.

Рисунок 5 - Схема включения корректора скорости в систему управления вертолета

В связи с этим на вертолетах последних выпусков дополнительно устанавливается на борту корректор воздушной скорости, с которого сигнал изменения скорости полета поступает в канал тангажа автопилота, вызывая соответствующие изменения угла тангажа вертолета, чем и обеспечивается повышение точности стабилизации скорости полета. Схема включения корректора скорости в контур стабилизации угла тангажа приведена на (рисунок 5). Контур стабилизации тангажа становится при этом вспомогательным, так как выходной стабилизируемой величиной является в этом случаи скорость полета вертолета.

2.4. Основные функциональные узлы и структурная схема автопилота

Каждый канал автопилота АП-34Б (направление, крен, тангаж и высота) воздействует на отдельные самостоятельные органы управления в системе управления вертолета, канал автопилота можно разбить на 2-е основные функциональные части: чувствительные элементы и сервопривод.

В качестве чувствительных элементов в каналах направления, крена и тангажа используются датчики соответствующих углов (крена, тангажа и направления) и датчики соответствующих угловых скоростей, при стабилизации скорости полета в качестве чувствительного элемента используется корректор воздушной скорости, в канале высоты в качестве чувствительного элемента используется корректор высоты. Сигналы с этих чувствительных элементов после преобразования и суммирования поступают в виде заданных отклонений органов управления на сервопривод. Структурная схема сервопривода представлена на (рисунок 6).

Из структурной схемы следует:

, (2.1)

где

- коэффициент усиления усилителя сервопривода

автопилота

- крутизна скоростной характеристики рулевого

агрегата

δ и - перемещение органов управления

Рисунок 6 - Структурная схема сервопривода.

Рисунок 7 - Упрощенная структурная схема сервопривода.

В автопилоте АП-34Б , следовательно, постоянная времени , и поэтому в первом приближении можно считать .

Учитывая, что рулевые агрегаты типа КАУ-30Б, РА-60А и РП-28 имеют ограничения по сигналам автопилота порядка 20% от общего хода органов управления, сервопривод в дальнейшем можно рассматривать, как пропорциональное звено с 20% ограничением (рисунок 7).

Вертолет с точки зрения его динамических характеристик по всем каналам можно представить в виде динамического звена, у которого входным воздействием является управляющее воздействие δ (отклонение органов управления), а входным изменение угловых положений или высоты полета. В первом грубом приближении вертолет можно представить как последовательное соединение 2-х звеньев: интегрирующее и инерциального .

Физически это означает, что при отклонении органов управления вертолет в первый момент получает ускорение и затем с постоянной времени Т выходит на постоянную скорость изменения угловых положений и высоты полета.

С учетом вышеизложенного можно составить общую структурную схему системы автоматического управления «вертолет-автопилот» (рисунок 8-9).

Как уже указывалось ранее, скорость полета вертолета зависит от угла тангажа. В первом приближении можно считать, что скорость полета вертолета V и угол тангажа ϑ связаны между собой соотношением ϑ

В случаи наличия на борту корректора скорости и использования его сигналов для стабилизации скорости полета вертолета, структурную схему системы «вертолет-автопилот» по каналу стабилизации скорости можно представить следующим образом (рисунок 10).

На приведенных структурных схемах везде изображен летчик в качестве одного из звеньев системы управления. Если летчик не вмешивается в управление, функционирует только одна замкнутая система - «вертолет-автопилот», этот режим называется режимом стабилизации, так как автопилот стремится поддержать неизменным режим полета. Если же летчик вмешивается в управление, работает две замкнутые системы – «вертолет-автопилот» и «вертолет-летчик». Этот режим называется режимом управления.

19