Органы управления и рулевые машины

К органам управления ЛА относят рули, элероны, элероны-интерцепторы, триммеры и управляемый стабилизатор. Управление по тангажу состоит из устройства управления рулем высоты, его триммером и стаби­лизатора. Управление рулем высоты механическое от колонок, располо­женных перед пилотами. В механическую проводку включается рулевая машина АБСУ. На задней кромке каждой половины руля высоты уста­новлены триммеры, которыми управляют из кабины экипажа от штурвальчиков (ручное) и от электромеханизма (дистанционное). Управляемый стабилизатор имеет электропривод или электрифицированный гидропри­вод. Управление по крену включает в себя устройства управления элеронами-интерцепторами, элеронами и их триммерами. Элеронами управ­ляют за счет поворотов штурвалов. Управление по курсу - это управле­ние рулем направления и его триммером. Рулем направления управляют с помощью педалей. В механические проводки систем управления по крену и курсу также включают рулевые машины.

Пилот воздействует на ЛА с помощью командных рычагов (колонка, штурвал, педали), перемещение которых вызывает перемещение органов управления. Возрастание скорости полета, а также увеличение размеров ЛА приводит к повышению усилий на командных рычагах. Мускульной силы пилота становится недостаточно для преодоления шарнирных моментов поверхностей управления. Для облегчения управления используют бустеры (усилителями мощности). Они могут быть обратимыми и необратимыми. На ЛА применяют бустерное управление по необратимой схеме, когда всю аэродинамическую нагрузку воспринимает бустер, однако при этом пилот теряет ощущение управления и для того, чтобы создать ощущение управления на командных рычагах, ставят специальные загрузочные механизмы.

Так как эффективность органов управления меняется с изменением высоты и скорости полета, то и жесткость загрузочных механизмов должна меняться. Например, при увеличении высоты полета эффективность рулей снижается. В этом случае необходимо увеличить отклонение командных рычагов и снизить жесткость загрузочных механизмов. По­этому в системах с необратимым бустерным управлением применяют автоматы, изменяющие жесткость загрузочных механизмов и передаточ­ное отношение между командными рычагами и бустерами в зависимости от изменения условий полета. Использование автоматов существенно облегчает управление ЛА, так как позволяет пилоту сохранять практи­чески одинаковую технику пилотирования при изменении скорости и вы­соты полета. Кроме технико-экономических требований, общих для всего электрооборудования, к приводам органов управления ЛА предъявляют ряд специфических. Они должны быть практически безотказными в ра­боте, обладать высокой чувствительностью и точностью следящей системы, передающей перемещения от командного агрегата к органам управления, иметь высокое быстродействие и широкий диапазон регулирования ско­рости перекладки рулей, быть устойчивыми в управлении с высоким качеством переходных процессов при управлении ЛА и обладать высокой жесткостью системы управления, необходимой для предотвращения флаттера.

Практическую безотказность приводов достигают комплексом мер, направленных на обеспечение работоспособности систем управления, при возможных отказах ее элементов и агрегатов. К этим мерам относят:

применение резервирования, при котором обеспечивается разделение функциональной системы на независимые подсистемы, способность сис­темы выполнять функции при отказе части подсистемы и возможность перехода на другие режимы;

исключение возможности возникновения возмущений на выходе сис­темы управления в момент отказа подсистемы;

применение системы контроля, обеспечивающей контроль состояния во время предполетной подготовки и непрерывный контроль в полете; при необходимости - автоматическое отключение отказавших подсистем;

обеспечение высокой надежности элементов системы управления.

На ЛА с необратимым бустерным управлением без перехода на безбустерное управление силовые приводы органов управления должны пи­таться от независимых электрических и гидравлических систем.

Для управления элеронами и рулями применяют электрифицированный следящий гидропривод (исполнительный орган - гидравлическая рулевая машина — ГРМ) и электрический следящий привод (исполнительный ор­ган — электрическая рулевая машина - ЭРМ). Электрифицированный сле­дящий гидропривод улучшает управляемость и маневренные свойства ЛА, увеличивает устойчивость в режиме стабилизации, улучшает противофлаттерные свойства рулевых систем. В зависимости от метода резерви­рования приводы подразделяют на три типа: многоканальный следящий привод с детектором отказов, который обнаруживает и устраняет не­исправность (отключением или замещением резервированного канала); многоканальный следящий привод с резервированием по принципу «го­лосования большинством», в котором отказ одного канала компенсируется действием исправных каналов, а также дублированный следящий привод.

Гидравлическая рулевая машина представляет собой резервированный привод по принципу «голосования большинством» и состоит из трех отдельных агрегатов управления, установленных на одном основании. Штоки агрегатов через рычажную систему соединены с общим выходным звеном ГРМ. Усилия, развиваемые поршнями агрегатов, передаются и суммируются на выходном звене. ГРМ остается работоспособной при отказе одного любого агрегата управления, но при этом снижается уси­лие на выходном звене. Электрическое питание агрегаты управления полу­чают от трех независимых электрических сетей, а гидравлическое - от трех независимых гидросистем.

Разрез одного агрегата управления представлен на рис. 12.1, а. На ри­сунке агрегат управления представлен упрощенно для пояснения принципа работы. В действительности шток, например,, выполнен в виде гидро­пружины, что дает возможность пересиливания двум агрегатам управления при отказе третьего. Агрегат управления имеет двухкаскадный электрогидроусилитель. Первый каскад - гидроусилитель типа «сопло - заслон­ка» - выполнен по схеме гидравлического моста. В качестве постоянных сопротивлений, равных между собой, применены дроссели 4. Переменными гидравлическими сопротивлениями являются сопла 3 с заслонкой (якорем) 2 преобразователя сигналов.

Входным параметром первого каскада усиле­ния служит ток управления электронного усилителя, выходным парамет­ром - перепад давлений на торцах распределительного золотника 6, включенного в диагональ моста. Второй каскад усиления — золотник, выходным параметром которого является расход рабочей жидкости, опре­деляемый открытием щели в гильзе золотниковой пары.

Принцип действия электрогидроусилителя основан на равновесии и дисбалансе гидравлического моста. При отсутствии тока в обмотках 1 управления преобразователя сигналов переменные гидросопротивления равны и мост сбалансирован. Золотник находится в нейтральном поло­жении. При подаче тока в обмотки преобразователя сигналов заслонка (якорь) отклоняется от нейтрального положения, в результате чего изме­няется сопротивление истечению жидкости из сопел, нарушается равно­весие моста, возникает перепад давлений на торцах распределительного золотника. Под действием перепада давлений золотник смещается, соеди­няя полости цилиндра с нагнетанием и сливом. В результате этого пор­шень со штоком 7 смещается вправо или влево. Пружины 5 золотника обеспечивают пропорциональное перемещение его в зависимости от зна­чения перепада давлений на торцах.

На рис. 12.1, б приведена структурная схема агрегата управления АУ с потенциометрической отрицательной обратной связью. На вход усили­теля поступает управляющий сигнал δ_У. Шток 7 агрегата перемещает ползунок потенциометра ООС, Р _ООС, с которого снимается сигнал U _ООС. Усилитель уменьшает ток управления i_У в обмотках 1 до нуля. Заслонка (якорь) приходит в нейтральное положение. Золотник также возвращается в нейтральное положение под действием пружин, а поршень останавли­вается в отклоненном положении.

Динамические свойства гидропривода в основном оценивают тремя факторами: коэффициентом усиления по скорости k_V, постоянной времени Т и коэффициентом демпфирования к_Д.

Коэффициент усиления по скорости k_V= k_Q/A _П, где k_Q - коэффициент усиления золотникового гидроусилителя по расходу жидкости; А _П — ра­бочая площадь поршня силового цилиндра.

Коэффициент усиления по расходу (приближенно):

              ,

где G — гидравлическая проводимость управляемого дросселя; х - пере­мещение золотника; р _ПИТ - давление в линии питания.

Из этой формулы следует, что k_Q увеличивается с возрастанием дав­ления в линии нагнетания и гидравлической проводимости. С увеличе­нием радиального зазора и перекрытия этот коэффициент при малых смещениях золотника заметно уменьшается, что снижает крутизну нараста­ния расхода и чувствительность гидропривода.

Постоянная времени , где т - масса жидкости движущихся частей и нагрузки, приведенная к оси силового цилиндра; С _Г - коэффи­циент жесткости гидропружины.

С увеличением жесткости гидропружины постоянная времени уменьша­ется. Это улучшает динамику привода.

Коэффициент к_Д определяет качество переходного процесса и степень колебательности привода:

              ,

где β - жесткость механической характеристики гидропривода.

Из данного выражения следует, что с уменьшением жесткости β демпфирующие свойства гидропривода улучшаются.

На рис. 12.2 изображена схема электрической рулевой машины.

 

Дви­гатель-генератор ЭРМ представляет собой две электрические машины в одном корпусе: асинхронный двухфазный двигатель АДД с полым ротором и асинхронный тахогенератор Г. Ротор двигателя АДД тонко­стенный алюминиевый стакан, вращающийся в воздушном зазоре между неподвижным статором (обмотка возбуждения L _ВД, управления - L _У) и внутренним магнитопроводом. Двигатель АДД преобразует электрическую энергию в механическую на выходном валу, а тахогенератор Г является датчиком скоростной ООС сервопривода. С его сигнальной обмотки L _С снимается напряжение U _{С ос}обратной связи. Другие элементы ЭРМ имеют следующие назначения: муфта пересиливания МП определяет значение момента на выходном валу ЭРМ; муфта ЭММС сцепляет вал двигателя АДД с выходным валом; концевой выключатель KB контактами 1-2 отключает обмотку возбуждения L _ВДдвигателя АДД при отклонении выходного вала на угол более заданного. Муфта пересиливания МП, электромагнитная муфта сцепления ЭММС и KB являются элементами безопасности при работе АБСУ. Индукционный потенциометр ИП, ротор которого через редукторы Р1 и Р2 приводится во вращение от АДД, слу­жит датчиком жесткой ООС в сервоприводе. К нему подводится напря­жение питания U _{п ИП}, а с его сигнальной обмотки снимается напряжение U_{ж ООС}.

Относительная угловая скорость V₀ идеального XX, пусковой момент двигателя АДД и жесткость характеристик  зависят от коэф­фициента сигнала α=U_Х/U_ВД. Благодаря зависимости угловой скорости идеального холостого хода V₀ от коэффициента сигнала α можно управлять этой скоростью. С уменьшением коэффициента сигнала α уг­ловая скорость идеального XX падает, так как двигатель нагружается внутренним мо­ментом, создаваемым маг­нитным полем обратной по­следовательности. Пусковой момент прямо пропорцио­нально зависит от коэффи­циента сигнала α. Жесткость же механических характеристик при изменении коэф­ фициента сигнала меняется незначительно.

 

Структурная схема сервопривода с ЭРМ представлена на рис. 12.3. На схеме обозначено:

к - коэффициент пропорциональности между углом δ отклонения руля и напряжением U;

к ₁ к ₂, к ₃, к ₄, к ₅- коэффициенты усиления суммирующего усилителя, электромагнитной муфты, электродвигателя, скоростной ООС и жесткой ООС;

Т ₁, Т ₃ - постоянные времени суммирующего усилителя и электродви­гателя;

К₂ · е^-рτпередаточная функция электромагнитной муфты.

Передаточная функция замкнутой системы, соответствующая данной структурной схеме, имеет вид:

    ,

где К=кк₁к₂к₃; к₁=к₁к₂к₃ к₄; к₂=к₁к₂к₃ к₅;

а₀= Т ₁ Т ₃; а₁= Т ₁ +Т ₃; а₂=1+ к₁ · е^-рτ; а₃=(К+ К₂)· е^-рτ.

 

Условие устойчивой работы сервопривода: а₁а₂-а₀а₃> 0. Из этого условия вытекает требование к значениям коэффициентов усиления и постоянных времени отдельных звеньев.