Некоторые подходы к проектированию имитаторов системы управления Jiа для авиационных тренажеров Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

2007

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Авионика и электротехника

№ 115

УДК 629.735

НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ИМИТАТОРОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛА ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРОВ

Ю.Г. ОБОЛЕНСКИЙ, А.В. ПОНОМАРЕНКО Статья представлена доктором технических наук, профессором Кузнецовым С.В.

В статье приводятся математические модели механической проводки управления с оценкой влияния ее параметров и их оптимизации на характеристики контура управления современных самолетов с точки зрения загрузки летчика.

Оценка влияния параметров механической проводки на статические и динамические характеристики

Одним из важнейших критериев для тренажера является правдоподобие поведения самолета и его систем в процессе воспроизведения полета. Система управления при этом является одной из самых значимых, а механическая система управления, вследствие существенно нелинейных характеристик, одной из самых сложных для имитации.

В то же время механическая проводка управления является одним из важнейших компонентов исполнительного тракта системы управления самолетом. Она обеспечивает передачу движения от рычагов управления и исполнительных приводов САУ к рулевым приводам и далее к рулевым поверхностям.

В общем случае механическая проводка включает в себя следующие основные элементы:

- рычаги управления, изменением положения которых летчик изменяет углы отклонения рулевых поверхностей и тем самым осуществляет управление самолетом;

- загрузочные устройства, служащие для создания на рычагах управления при их перемещениях усилий, имитирующих наличие шарнирных моментов и обеспечивающих летчику «чувство управления», т.е. обратную связь по усилию;

- механизмы триммерного эффекта, обеспечивающие возможность снятия усилий, создаваемых загрузочными устройствами при отклонении рычагов управления от нейтрального положения;

- механическую дистанционную передачу - совокупность устройств, обеспечивающих дистанционную передачу управляющих сигналов, которыми являются перемещения или усилия;

- силовую передачу, соединяющую выходное звено рулевого привода с рулевой поверхностью;

- суммирующие устройства, осуществляющие алгебраическое суммирование или разделение механических управляющих сигналов;

- устройства регулирования, осуществляющие изменение коэффициентов передачи управляющих сигналов;

- нелинейные механизмы, обеспечивающие формирование заданных зависимостей отклонения рулевых поверхностей от перемещения рычагов управления.

В зависимости от требуемой задачи в системах управления самолетом применяется три вида дистанционных передач:

- гибкая проводка, в которой управляющие воздействия передаются возвратнопоступательным перемещением тросов, цепей, стальных проволок или лент;

- жесткая проводка, в которой управляющие воздействия передаются возвратнопоступательным движением тяг, работающих на сжатие и растяжение (поступательная проводка), или вращательным движением валов, работающих на кручение (вращательная проводка);

- смешанная проводка, в которой применяется комбинация гибкой и жесткой проводки. Применение комбинированных видов механической проводки объясняется стремлением

конструкторов максимально использовать преимущества различных видов передачи. Бесспорным преимуществом, например, жестких дистанционных передач поступательного действия по сравнению с тросовыми является простота в эксплуатации и меньшее трение. В то же время, тросовая проводка на прямых участках имеет меньший вес и габариты.

Излишне говорить, что надежность механической проводки должна быть высокой, а вероятность безотказной работы близка к единице. Поэтому при ее проектировании должны выполняться следующие требования:

механическая проводка должна иметь достаточно высокую прочность;

компоновка проводки должна исключать возможность механических повреждений в процессе эксплуатации;

возможность заклинивания проводки в результате обледенения или попадания посторонних предметов должна быть исключена путем применения специальных конструктивных мероприятий и компоновки;

должна быть исключена возможность случайной неправильной установки или подсоединения (перепутывания) элементов механической проводки в процессе монтажа или при эксплуатации;

должен быть обеспечен хороший обзор и доступ к элементам регулировки проводки управления;

материал проводки не должен быть чувствителен к царапинам, коррозии, усталости, концентраторы напряжения должны отсутствовать;

собственные частоты колебаний проводки управления не должны совпадать с собственными частотами колебаний конструкции самолета и двигателя [1,2].

Динамические характеристики механической проводки в общем виде рассчитать достаточно сложно, т.к. она представляет собой систему с распределенными параметрами, и приходится рассматривать совокупность всех сил, действующих на каждый из ее подвижных элементов [1]. Такое описание малопригодно для практического применения из-за своей громоздкости.

Если принять допущение, что масса, жесткость и трение проводки управления не распределены вдоль ее длины, а приведены к ручке управления, точка крепления рулевого привода к фюзеляжу абсолютно жесткая, система тяг передает усилие от привода к рулю жестко и динамическая жесткость рулевого привода не учитывается, то уравнение сил, действующих на ручку управления, запишется в следующем виде [4]:

~Ж2

где: т - масса проводки, приведенная к ручке управления;

Хр - перемещение ручки управления;

Рт - управляющее усилие, приложенное летчиком к ручке управления;

Вфт - усилие на загрузочном механизме;

Рдд - сила трения, приведенная к ручке управления;

т___Р = р_р _р, ± р , _р. _ р (1)

,2 АО 1 01АВ 1СВ—1АА1дЕ11АЖ’ V1/

Рй& - дебаланс проводки управления, знак которого зависит от величины и знака перегрузок пу, пх, пг и конструктивных особенностей проводки (изменение дебаланса по ходу ручки управления);

Р$ё - силы, действующие на механическую проводку со стороны силового золотника рулевого привода;

Рцш - сила, эквивалентная нежесткости проводки управления.

Раскроем выражения для каждой силы в приведенном выше уравнении.

Усилие на загрузочном механизме складывается из двух нелинейных характеристик - собственной характеристики загрузочной пружины с предварительным затягом и люфтом механизма триммерного эффекта, который проявляется под нагрузкой. Суммарная характеристика Ромв = / (ХР), где зона нечувствительности обусловлена люфтом механизма триммерного эффекта. На рис.1 приведены загрузочные характеристики самолетов ОКБ имени А.И. Микояна по каналу тангажа.

В таблице приведены значения люфта и предварительного затяга загрузочных характеристик, приведенных к органам управления, реализованные на самолетах ОКБ имени А. И. Микояна.

Трение в проводке управления представляет собой сумму «сухого» и «вязкого» трения, но многочисленными экспериментами подтверждается, что основу трения проводки составляет все-таки «сухое» трение, описываемое законом Кулона,

рсв = раво К^Хр (2).

Дебаланс проводки управления зависит как от перемещения ручки управления, так и от величины и знака действующих на самолет перегрузок.

Рис. 1. Характеристики загрузочных механизмов самолетов РСК «МиГ» в продольном канале управления

Таблица

Значения люфтов и предварительного затяга Т а н г а ж

21 21 23 23 23 25 25 29 29 31 31 915 915 821 144

Л Т Л Ср Т Л Т Л Т Л Т Л Т Л Л

Р 1,8 2,7 1,2 1,6 2,0 1,2 1,5 1,3 2,0 1,0 1,6 0,3 2,8 1,0 0,3

Л 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 4,0 4,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 2,0

К р е н

21 23 25 29 31 29М/Л 29М/Т 821 144

Р[кг] 1,0 0,7 0,8 1,0 1,0 0,2 1,75 0,7 0,3

Л[мм] 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 2,0 2,0 2,0 2,0

К у р с

21 23/Л 23/Т 25 29 31 29М 821 144

Р[кг] - 5,0 8,0 8,0 7,5 7,4 8,0 7,4 5,0

Л[мм] - 4,0 4,0 4,5 3,0 4,0 4,0 3,0 3,0

Силовой золотник рулевого привода при открытии преодолевает силу трения, описываемую

законом Кулона р'¿в = signXс, и гидродинамическую силу, которые передаются на ручку управления. Действие гидродинамических сил на золотник описывается достаточно сложно и зависит как от геометрии золотника, так и от характера истечения рабочей жидкости, и в общем случае нелинейно. Для простоты будем предполагать, что гидродинамические силы линейно зависят от перемещения золотника и что они резко возрастают в конце хода золотника, когда он находится на упоре.

В приводимой модели, когда мы предположили, что вся масса механической проводки приведена к ручке управления, довольно трудно учесть нежесткость проводки. Поэтому для простоты предположим, что в исходном состоянии проводка не нагружена, при этом участок от ручки управления до загрузочного механизма короткий и не вносит существенных погрешностей в расчетную схему. А нежесткость проявляется только при упоре в золотник силового бустера.

Тогда: ХР = р(?Е = (р& + рЯА ) СС“’ (3)

С1о С1о

где С1д - жесткость проводки управления, приведенная к ручке управления.

Осталось записать уравнения рулевого привода и добавить их к уравнению сил.

Уравнение расхода через золотник описывается следующей формулой [3]:

О, = Q1 = С(Х^Р, _Рж _(р _Рг)^Хс (4)

[2

где: G( Хс) = — Ъф(д,£,т, Хс ) - удельная проводимость гидравлического дросселя,

С \Р

р - плотность рабочей жидкости,

а ,8,ф,£ - конструктивные параметры золотникового гидроусилителя,

т - коэффициент расхода,

Рцд = Р\ _РцЕ - давление питания, т.е. разность между давлением нагнетания и слива,

DP = Р1 - Р2- эффективный перепад давления в полостях гидроцилиндра, обусловленный действием нагрузки,

X3 [sign X3 = 1 где 03 > 0

|X31 I sign X3 = -1 где 03 < 0

signX3

функция Кронекера, учитывающая

колебания золотникового гидроусилителя относительно нейтрального положения.

Уравнение расхода в гидродвигателе:

ЙН = Qv+Q,+Ste = A —+r DP+C dDP

йг ~мж йг ’

где: QV - расход, идущий на сообщение скорости гидродвигателю,

АI - площадь поршня гидродвигателя,

Qr - расход, обусловленный утечками и перетечками рабочей жидкости, г - коэффициент утечек,

QfiЖ - расход, обусловленный сжимаемостью рабочей жидкости,

Щж = - V- - жесткость рабочей жидкости,

V = А} О0д - объем рабочей камеры гидродвигателя,

Е - модуль объемной упругости рабочей жидкости.

Из условия неразрывности рабочей жидкости расход через золотник должен быть равен расходу через гидродвигатель:

Ql = Q2 = Он (6)

Уравнение сил, действующих на поршень гидродвигателя:

(5)

m

d2 X dX

----Р = A DP - B—0а - С0Х0Й,

(7)

йг йг

где: т - масса нагрузки,

В - коэффициент вязкого трения,

С0 - коэффициент шарнирного момента.

Решая совместно уравнения рулевого привода, получим следующее нелинейное выражение:

d3 X,

0 о

Vm

dt3 2 EA,

- +

d'X0O mr +BV/2E + dX0O (J_ + C0V ) + X rC0

dt2

2A

dt

0 о

G (Xcy

p ,, -

1 1EO

d2 X dX

(md X<00 + BdX^° + C0 X0 V dt2 dt 0 0

(8)

Из этого выражения следует, что дроссельный привод из-за явления «дроссельного эффекта» является системой с переменным коэффициентом усиления, зависящим от состояния привода [4].

Проведем линеаризацию, разложив функцию QQ = /(Р , X,, г аадодёе ) в ряд Тейлора в окрестности какого-либо значения О,по степени малого отклонения АО, и А0 [3], получим:

Q, = ^ АХ, - АР, (9)

где: K.

QX

dQ

dXr

G(Xc)JPiEO -DP, Kqp

Xc~ XC

dQ

dP

G( Xc)

yJPlE0 DP.

P=P0

2

Тогда, если пренебречь на интересующих нас частотах управления (собственные частоты контура управления не превышают 3Гц) влиянием вязкого трения и сжимаемости рабочей жидкости, а также инерционным членом в нагрузке, нелинейное выражение с учетом линеаризации запишется в следующем виде:

Структурная схема механической проводки управления и рулевого привода приведена на рис. 2.

Анализ влияния на динамику механической проводки управления ее параметров показал, что основными демпфирующими факторами механической проводки управления являются сухое трение в проводке управления и гидродинамические силы. Вид характеристики загрузки ручки управления мало влияет на параметры переходного процесса, а трение на золотнике, эквивалентное увеличению присоединенной массы, существенно ухудшает переходной процесс, увеличивая его колебательность [4].

На рис. 3 показано влияние на фазовые запаздывания частотной характеристики механической проводки управления на частоте 1 Гц трения в проводке, трения на силовом золотнике, действия гидродинамических сил со стороны силового золотника и люфта по усилию в механизме триммерного эффекта. Трение в проводке управления является демпфирующим фактором, однако, при его увеличении увеличивается фазовое запаздывание и, учитывая, что при увеличении трения в проводке управления увеличивается разница между прямым и обратным ходом в загрузочной характеристике (двойное трение), этот путь для улучшения переходных процессов при брошенной ручке управления едва ли может быть рекомендован. Реальным путем для получения хороших переходных процессов в механической проводке управления является снижение трения на силовом золотнике. Гидродинамические силы также являются основным демпфирующим фактором, без которого трудно получить приемлемые переходные процессы и фазовые запаздывания. Оптимальным с точки зрения качества переходных процессов является величина =1,0*2,0кг, затем время первого срабатывания и фазовые запаздывания увеличиваются.

Наиболее сильное влияние на фазовые запаздывания оказывает люфт по ходу штока в механизме триммерного эффекта, при этом слабо влияя на качество переходных процессов. Так, люфт по штоку МТЭ в 1мм (приведенный к ручке управления ±5.5мм) увеличивает фазовое запаздывание на 300 на частоте / =1Гц по сравнению с нулевым значением при неизменных остальных параметрах. Его уменьшение - залог получения требуемых динамических характеристик механической проводки управления.

Необходимо отметить также, что величина предварительного затяга тоже влияет на фазовое запаздывание. Так, отсутствие предварительного затяга, равного 1,3 кг, примерно эквивалентно увеличению люфта по штоку МТЭ на 0,25мм (~8 -*10 фазового запаздывания на частоте / =1Гц). Чрезмерное увеличение предварительного затяга также увеличивает фазовые запаздывания и отрицательно оценивается летчиками.

(10)

И передаточная функция дроссельного гидропривода будет:

(11),

где: Ку = —— - коэффициент усиления привода по скорости,

Аї

V

хр

>ртр

>ХР

кф

¡К

А ►хр

Кф Кп

п

V /КХ ,

X,

& — Ь V

г] *Хз

крз

*Хз

ТшР+1

Рис. 2. Структурная схема механической проводки управления: п - количество камер рулевого привода

Рис. 3. Влияние на фазовые запаздывания частотной характеристики механической проводки управления на частоте 1 Гц: а) трения в проводке, трения на силовом золотнике и действия гидродинамических сил со стороны силового золотника; б) люфта по ходу штока в механизме

триммерного эффекта

В рабочем диапазоне управляющих частот 0,1^1,5Гц вариации массы проводки управления в диапазоне от 0,4 до 1кг практически не влияют на динамические характеристики. Такое же примерно влияние оказывает и учет нежесткости проводки управления. Основное влияние не-жесткости сказывается на фазочастотных характеристиках по перемещению, причем при нежесткости С =0,8кг/мм увеличение фазового запаздывания начинает сказываться, начиная с частот / =1,5Гц, а при нежесткости С =8кг/мм - с частот / =2,5Гц. Однако следует оговориться, что в

у

и

X

V

Т

X

ф

ш

К

ф

X

V=Х

с

п

р

X

Р

рассматриваемой модели полную физическую картину влияния нежесткости на характеристики проводки управления учесть невозможно. Дело в том, что влияние нежесткости рассматривается при следующем допущении: при отсутствии упоров в золотник бустера нежесткость никак не проявляется (обратная связь со стороны золотника выражается через трение и действие гидродинамических сил) и только при упорах в золотник нежесткость выражается через изменение градиента действия гидродинамических сил.

Дебаланс механической проводки существенно влияет не только на статические и динамические характеристики проводки управления, но и на характеристики устойчивости и управляемости всего контура управления. Положительная величина дебаланса проводки управления эквивалентна введению отрицательной обратной связи по нормальной перегрузке, которая стремится уменьшить внешнее возмущение, а отрицательная величина эквивалентна введению положительной обратной связи, которая стремится увеличить внешнее возмущение и может привести к раскачке самолета летчиком.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гониодский В.И., Склянский Ф.И., Шумилов И.С. Привод рулевых поверхностей самолетов. - М.: Машиностроение, 1974 .

2. Клумов А.С. Продольная устойчивость и управляемость маневренного самолета. - М.: Машиностроение, 1988 .

3. Гамынин Н.С. Гидравлический привод систем управления. - М.: Машиностроение, 1972 .

4. Носков Ю.В., Оболенский Ю.Г. Определение динамических характеристик механической проводки управления самолета МиГ-29 в канале тангажа по ее математической модели. - Отчет №303/4-230 ММЗ им. А.И. Микояна, 1977 .

SOME APPROACHES TO DESIGNING SIMULATORS OF AIRPLANE CONTROL SYSTEMS

Obolenskiy Y.G., Ponomarenko A.V.

The article contains mathematical models of mechanical control wiring along with the assessment of the influence of its parameters and their optimizing on the control circuit performance of present-day aircrafts with relation to the load of pilot.

Сведения об авторах

Оболенский Юрий Геннадиевич, 1952 г.р., окончил МАИ (1975), кандидат технических наук, начальник отделения ФГУП РСК “МиГ”, автор более 20 научных работ, область научных интересов - математическое и полунатурное моделирование и создание систем автоматического и дистанционного управления.

Пономаренко Андрей Владимирович, 1955 г.р., окончил МАИ (1979), кандидат технических наук, начальник отделения 8021 инженерного центра ФГУП РСК “МиГ”, автор свыше 10 научных работ, область научных интересов - интерактивные автоматизированные системы обучения.