Биард Р.У., МакЛэйн Т.У. Малые БЛА - теория и практика (2015) (1245764), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Автопилот продольного движенияhс + hудерж.hchс – hудерж.hвзлета117Зонаснижения· Нулевая заслонка· Регулировка воздушной скорости подачей команд по углу тангажаЗонаудержаниявысоты· Регулировка высоты подачей команд по углу тангажаЗонанаборавысоты· Полностью открытая заслонка· Регулировка воздушной скорости подачей команд по углу тангажаЗонавзлета· Полностью открытая заслонка· Выставление тангажа на фиксированное значение q· Регулировка воздушной скорости подачей командпо открыванию заслонкисРис.
6.14. Режимы полета для автопилота продольного движенияВ зоне взлета поступают управляющие воздействия на полное открытие заслонки, а положение по тангажу регулируется с помощью руля высоты прификсированном угле тангажа qc. Цель управления в зоне набора высоты —максимизировать скорость набора высоты при заданных атмосферных условиях.
Для максимизации скорости набора высоты отдается команда на полноеоткрывание заслонки, а воздушная скорость регулируется с помощью углатангажа.Если воздушная скорость превышает номинальную величину, это приводит к задиранию носа самолета и, как следствие, к повышению скорости набора высоты и к снижению воздушной скорости. Аналогичным образом,если воздушная скорость падает ниже номинальной величины, самолет начинает пикировать, тем самым повышая воздушную скорость, но также снижаяскорость набора высоты.
Регулирование воздушной скорости с помощьюугла тангажа позволяет эффективно избегать подобных состояний. Заметьте, однако, что не нужно регулировать воздушную скорость с помощьюугла тангажа сразу же после взлета. После взлета самолет пытается повыситьвоздушную скорость, а уменьшение угла тангажа направило бы самолет кземле.Зона снижения аналогична зоне набора высоты, за исключением того, чтопоступает управляющий сигнал полностью закрыть дроссельную заслонку.И снова условия срыва потока исключаются регулировкой воздушной скорости углом тангажа, тем самым максимизируя скорость снижения при заданнойвоздушной скорости.
В зоне удержания высоты воздушная скорость регулируется с помощью величины открывания заслонки, а высота — подачей управляющего импульса на установку угла тангажа.Для использования автопилота, представленного на рис. 6.14, потребуются следующие контуры обратной связи: (1) стабилизации по углу тангажа с118Глава 6. Проектирование автопилота, используя последовательные замыканияконтура обратной связипомощью руля высоты, (2) стабилизации воздушной скорости с помощьюдроссельной заслонки, (3) стабилизации воздушной скорости с помощьюугла тангажа и (4) выдерживания высоты с помощью угла тангажа. Конструкция каждого из этих контуров обратной связи будет описана в следующихчетырех подразделах. И, наконец, весь автопилот продольного движения будет представлен в разделе 6.4.5.6.4.1.
Ñòàáèëèçàöèÿ ïî óãëó òàíãàæàКонтур стабилизации по углу тангажа аналогичен контуру стабилизации покрену, и стоит придерживаться аналогичной линии рассуждений при его разработке.Согласно рис. 6.15 передаточная функция из иc к и дается выражениемH q / qc (s ) =k pq a q 3s 2 + (a q1 + k dq a q3 )s + (a q 2 + k pq a q3 ).(6.18)Обратите внимание, что в этом случае коэффициент усиления по постоянномутоку не равен единице.иceиk pqded e¢a q3 ss 2 + aq1 s + aq2q1sqk dqРис. 6.15. Контуры обратной связи стабилизации по углу тангажаЕсли требуемый отклик задается канонической передаточной функциейвторого порядкаK qDC w2nq,s 2 + 2 z q wn q s + wn2qтогда, приравнивая коэффициенты знаменателя, получимwn2 = a q 2 + k pq a q3 ,(6.19)2 z q wn q = a q1 + k dq a q3 .(6.20)qЕсли для исключения насыщения установить блок пропорциональногоусиления сигнала, когда ожидается максимальная ошибка на входе, получимk pq =d maxesign (a q3 ),eqmax6.4.
Автопилот продольного движения119где операция sign (a q3 ) берется, поскольку a q3 определяется C m d e , которыйобычно отрицательный. Для обеспечения устойчивости k pq и a q3 должны бытьодного знака. Из уравнения (6.19) предельное значение полосы пропусканияконтура стабилизации по углу тангажа можно рассчитать по соотношениюwn q = a q 2 +d emax|a q3 |eqmax(6.21)и, решая уравнение (6.20) относительно kdq, можно получитьk dq =2 z q wn q - a q1a q3.(6.22)Таким образом, зная предельное насыщение привода d max, можно выбратьemaxмаксимальную ожидаемую ошибку по углу тангажа, eq , чтобы определитьпропорциональный коэффициент усиления k pq и полосу пропускания контурауправления углом тангажа. Выбор требуемого коэффициента затухания zqфиксирует значение дифференциального коэффициента усиления k dq .Коэффициент усиления по постоянному току этой передаточной функциивнутреннего контура приближается к единице по мере того, как k pq ® ¥.
Коэффициент усиления по постоянному току дается формулойK qDC =k pq a q 3( a q 2 + k pq a q 3 ),(6.23)и для типичных значений коэффициента усиление значительно меньше единицы. Проектирование внешних контуров будет использовать этот коэффициент усиления по постоянному току для представления коэффициента усиления внутреннего контура во всей полосе пропускания. Для обеспеченияравенства коэффициента усиления по постоянному току единице во внутреннем контуре может быть использован член интегральной обратной связи.Добавление члена интегральной обратной связи, однако, может сильно ограничить полосу пропускания внутреннего контура.
По этой причине было решено не использовать интегральное управление в контуре стабилизации поуглу тангажа. Однако следует заметить, что в опытно-конструкторской разработке фактический угол тангажа не может стремиться к заданному управляющим воздействием углу тангажа. Это обстоятельство будет учтено при разработке внешнего контура. Выходной сигнал контура стабилизации по углутангажа имеет видd e = k pq (q c - q) - k dq q.120Глава 6. Проектирование автопилота, используя последовательные замыканияконтура обратной связи6.4.2.
Âûäåðæèâàíèå âûñîòû ïîëåòà ñ ïîìîùüþóïðàâëÿþùèõ ñèãíàëîâ ïî òàíãàæóАвтопилот выдерживания высоты использует стратегию последовательного замыкания контура с автопилотом стабилизации по углу тангажа, используемогов качестве внутреннего контура, как это показано на рис. 6.16. Предполагая,что контур управления тангажом функционирует в соответствии с проектом ичто q » K qDC qc, контур выдерживания высоты полета с помощью управляющихсигналов по тангажу может быть аппроксимирован блок-схемой, показаннойна рис. 6.17. В пространстве изображений Лапласаææki öçK qDC V a k ph ç s + h ÷ççk ph ÷øèh (s ) = ç2ç s + K qDC V a k ph s + K qDC V a k i hçèö÷÷ æs÷ + çç 2÷ è s + K qDC V a k ph s + K qDC V a k i h÷øö÷ d h (s),÷øгде снова видно, что коэффициент усиления по постоянному току равен единице, а постоянные возмущения были устранены.
Передаточная функция замкнутого контура снова не зависит от параметров самолета и зависит только отизвестной воздушной скорости. Коэффициенты усиления k ph и k i h следуетвыбирать такими, чтобы полоса пропускания контура «тангаж — высота» былаki hshck phиceиk pqd ¢edea q3 sqs 2 + aq1 s + aq21sqVashk dqРис. 6.16. Структура последовательных контуров обратной связи для автопилота выдерживания высоты полетаdh1Vaki hshck phиcK qDCиVashРис. 6.17. Контур выдерживания высоты полета, использующий регулирование угла тангажа6.4. Автопилот продольного движения121бы меньше полосы пропускания контура стабилизации по углу тангажа. Аналогично случаю контура курса, положимwn h =1wn q ,Whгде разделение полос пропускания Wh является проектным параметром, который обычно принимает значение в интервале от пяти до пятнадцати.
Еслитребуемый отклик контура выдерживания высоты задается канонической функцией второго порядкаw2nh,s 2 + 2 z h wn h s + w2nhтогда, приравнивая коэффициенты знаменателя, получимw2n = K qDC V a k i h ,h2 z h wn h = K qDC V a k ph .Разрешая эти выражения относительно k i h и k ph , можно получитьk ih =k ph =wn2hK qDC V a2 z h wn hK qDC V a,(6.24).(6.25)Поэтому выбор требуемого коэффициента затухания жh и разделителя полосыпропускания Wh фиксирует значения k ph и k i h .Выходной сигнал контура выдерживания высоты полета с помощью углатангажа имеет видkiq c = k ph (h c - h) + h (h c - h).s6.4.3.
Âûäåðæèâàíèå âîçäóøíîé ñêîðîñòèñ ïîìîùüþ ðåãóëèðîâàíèÿ òàíãàæàДинамическая модель для воздушной скорости, использующая угол тангажа,представлена на рис. 5.7. Подавление возмущений снова требует использования пропорционально-интегрального контроллера. Результирующая блоксхема представлена на рис. 6.18.122Глава 6. Проектирование автопилота, используя последовательные замыканияконтура обратной связиРис. 6.18.
Пропорционально-интегральный контроллер для регулирования воздушной скорости с помощью угла тангажаВ пространстве изображений Лапласаææki öç-K qDC gk pV 2 ç s + V 2 ÷ççk pV 2 ÷øèK qDCV a (s ) = çç s 2 + (aV1 - K qDC gk pV 2 )s - K qDC gk iV 2ççèæös÷ d (s).+çç s 2 + (aV - K q gk p )s - K q gk i ÷ V1DCV2DCV2 øèö÷÷÷ V ac (s) +÷÷÷ø(6.26)Обратите внимание, что коэффициент усиления по постоянному току равен единице и скачкообразные возмущения при этом будут подавлены. Дляудержания постоянной воздушной скорости угол тангажа должен стремиться кненулевому углу атаки. Интегрирующее устройство перейдет в насыщение отуправляющих сигналов при установке подходящего угла атаки.Коэффициенты усиления k pV 2 и k iV 2 следует выбирать так, чтобы полосапропускания контура регулирования воздушной скоростью углом тангажабыла бы меньше, чем полоса пропускания контура стабилизации по углу тангажа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
