книги / Системы управления летательными аппаратами и их силовыми установками

УДК 692.7.016 ББК 39.67

Ж27

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Е.В. Славное (Институт механики сплошных сред);

исполнительный директор В.С. Ермаков (Пермская научно-производственная приборостроительная компания)

Жанжеров, Е.Г.

Ж27 Системы управления летательными аппаратами и их сило­ выми установками: учеб, пособие / Е.Г. Жанжеров. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 229 с.

ISBN 978-5-398-00129-7

Приведены общие сведения о системах управления летательных аппаратов (ЛА). Изложен материал, относящийся к системам наведе­ ния ЛА и к системам стабилизации. Рассмотрены особенности наве­ дения ЛА в плотных и разреженных слоях атмосферы, а также прин­ ципы терминального наведения ЛА. Представлены алгоритмы управ­ ления, обеспечивающие реализацию пространственного маневра ЛА. Изложен материал, относящийся к исследованию динамики системы стабилизации при учете углового движения ЛА, упругих колебаний корпуса ЛА, колебаний жидкого топлива в баках ЛА. Рассмотрены вопросы по анализу устойчивости и точности системы стабилизации движения центра масс ЛА. Представлен материал по учету влияния нелинейностей автомата стабилизации на работу системы.

ВВЕДЕНИЕ

Современная техника управления движущимися объектами дос­ тигла весьма высокого уровня совершенства. Особенно наглядны достижения в области построения систем управления летательными аппаратами различных классов и различного назначения, которые обусловлены высоким уровнем развития теории управления (методов анализа и синтеза подобных систем), элементной базы систем управ­ ления, электроники, средств автоматики, цифровых вычислительных средств.

Задача, решаемая при управлении полетом летательных аппара­ тов, заключается в обеспечении доставки необходимого груза из начальной точки в конечную, которая может быть расположена на земной поверхности, в воздушном или космическом пространстве. В соответствии с вышеизложенным система управления должна вы­ полнять следующие функции: наведения (навигации) и стабилиза^ ции. Под наведением понимается задание в процессе полета лета­ тельного аппарата программного движения, под стабилизацией - от­ работка программного движения.

Настоящее учебное пособие по дисциплине «Системы управле­ ния летательными аппаратами и их силовыми установками» посвя­ щено, главным образом, изложению материала по принципам управ­ ления полетом летательных аппаратов (ЛА) и особенностям реали­ зации систем управления ЛА. Изучение данной дисциплины базируется на знаниях студентов, полученных в процессе изучения дисциплин «Механика», «Электротехника и электроника», «Основы автоматического управления», «Гироскопические приборы летатель­ ных аппаратов». Для успешного изучения данной дисциплины сту­ дент должен знать теоретическую механику, основы автоматическо­ го управления, уметь осуществлять исследование динамики и синтез алгоритмов управления автоматических систем, иметь навыки мате­ матического моделирования систем управления.

В первой части настоящего пособия изложены принципы наве­ дения ЛА, во второй - принципы стабилизации движения ЛА. Пред­

ставленный материал относится, главным образом, к беспилот­ ным ЛА.

Прежде всего, рассмотрены методы наведения ЛА по жесткой гибкой и свободной траекториям их движения. Приведены особенно­ сти реализации данных методов. Далее изложены принципы наведе­ ния головных частей ЛА, при этом основное внимание уделяется крылатым головным частям - аэробаллистическим летательным ап­ паратам. Рассмотрены основные режимы полета данных ЛА, алго­ ритмы управления, обеспечивающие движение ЛА по заданным тра­ екториям, особенности реализации управляющих алгоритмов.

Изложены принципы построения систем стабилизации лета­ тельных аппаратов, представляющих собой системы автоматическо­ го управления с обратной связью. В их состав входят чувствительные элементы, вычислительные и исполнительные устройства. В качестве чувствительных элементов, как правило, используются гироскопиче­ ские приборы и акселерометры. Они предназначены для измерения угловых и линейных параметров движения летательных аппаратов, таких как углы рыскания, тангалса, крена, а также продольных, вер­ тикальных и боковых ускорений и скоростей. Вычислительные уст­ ройства, в качестве которых используются бортовые вычислитель­ ные машины (бортовые компьютеры), предназначены для реализа­ ции в них алгоритмов управления, обеспечивающих устойчивость системы и требуемую точность отработки программного движения. Вопросам синтеза данных алгоритмов в настоящем учебном пособии уделено основное внимание. Значительное место в пособии занимает материал, посвященный рулевым приводам - исполнительным эле­ ментам систем стабилизации. Рассмотрены типы рулевых приводов, используемых в системах стабилизации, влияние их инерционности и нелинейности статических характеристик на динамику системы. Для исследования динамики системы используются частотные мето­ ды, основанные на применении современного математического аппа­ рата z- и ^-преобразований.

При изложении материала реализован принцип «от простого к сложному», поэтому данное пособие в равной степени может быть

использовано как студентами аэрокосмических и авиационных ву­ зов, так и аспирантами и научными работниками, занимающимися исследованием и проектированием систем управления летательными аппаратами.

Необходимо отметить, что представленный материал в значи­ тельной степени является новым, в особенности по вопросам, отно­ сящимся к принципам управления движением аэробаллистических летательных аппаратов.

Часть I

СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ

1.1.Назначение системы управления летательными аппаратами

Системы управления летательными аппаратами (ЛА) предна­ значены для управления их движением с целью доставки груза в за­ данную точку земного, воздушного или космического пространства при учете ограничения на расход топлива, используемого для работы двигательной установки ЛА. Летательные аппараты могут быть кры­ латые (самолеты, крылатые ракеты, планеры) и бескрылые (вертоле­ ты, ракеты). Рассмотрим траекторию движения ЛА на примере бал­ листической ракеты (рис. 1.1). Траектория включает в себя актив­ ный (7) и пассивный (2) участки. На активном участке траектории (от точки старта до точки К) работает маршевый двигатель, на пас­ сивном участке траектории (от точки К до точки цели) маршевый двигатель отключен. Таким образом, в точке К происходит выклю­ чение маршевого двигателя ЛА и отделение головной части ЛА. Ак­ тивный участок составляет 5-7 % от протяженности всей траектории

полета.

к

Рассмотрим основные функции, выполняемые системой управ­ ления ЛА:

1.Система управления производит расчет и задание программ­ ной траектории полета ЛА.

2.Система управления обеспечивает отработку программной траектории движения ЛА. Для баллистических ЛА система управле­ ния осуществляет расчет момента выключения маршевого двигателя

иподает команду на выключение его и отделение головной части.

3.Система управления ЛА осуществляет управление маневрами ЛА с целью преодоления ими противоздушной или противоракетной обороны (для военной техники).

4.Для самолетов система управления обеспечивает управление ЛА при взлете и приземлении.

1.2. Функциональная схема системы управления ЛА

Функциональная схема системы управления ЛА представлена на рис. 1.2, где обозначено:

х - вектор состояния системы,

продольная составляющая вектора ускорения и т.д.; НС (КИП) - навигационная система (командно-измерительные

приборы: гироскопы, акселерометры);

СН - система наведения (система навигации); СН выполняет следующие функции: разработка программной траектории; расчет момента выключения двигателя и отделения головной части (ГЧ) для баллистических, а также аэробаллистических ЛА;

хп- вектор программного движения,

СС - система стабилизации, которая предназначена для отра­ ботки программной траектории полета;

и - вектор управления;

ОУ объект управления.

1.3. Приборный состав системы управления ЛА

Типовой приборный состав системы управления летательных аппаратов (СУЛА) представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3

На рис. 1.3 приняты следующие обозначения:

НС (КИП) - навигационная система, командно-измерительные приборы (акселерометры и гироскопы);

2.2. Основные параметры, влияющие на дальность полета ЛА

Данный вопрос рассмотрим на примере баллистического ЛА. На рис. 2.1 представлена траектория движения баллистического ЛА

тяжести; L - дальность полета.

Определим зависимость для дальности полета ЛА.

Рис. 2.1

Запишем уравнения по осям х,у :