МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний авіаційний університет

АНАТОЛІЙ ПАВЛОВИЧ КОЗЛОВ

УДК 629.735 05(045); 621.39; 681.5.

СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ МАЛОВИСОТНИМ ПОЛЬОТОМ ПОВІТРЯНИХ СУДЕН

З ЕЛЕКТРОЄМНІСНИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ

Спеціальність 05.13.03 –“Системи та процеси керування”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Київ 2002

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Синєглазов Віктор Михайлович,
Національний авіаційний університет,
завідувач кафедрою комп'ютерно-інтегрованих комплексів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор
Асланян Альберт Едуардович,

Академія збройних сил України,

кандидат технічних наук

Морозов Сергій Вікторович,

провідний конструктор АНТК “Антонов”

Провідна установа: НТУУ “Київський політехнічний інститут”, факультет інформатики та обчислювальної техніки, кафедра технічної кібернетики

Захист відбудеться _25_квітня__2002 р. _15_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.05 при Національному авіаційному університеті адреса: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, НАУ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НАУ.

Автореферат розісланий "_25_"_березня_2002 року.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Жданов О.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи: Перехід України на ринкові відносини вимагає істотно іншого підходу до рішення практично усіх проблем в економіці. Не минає це і цивільну авіацію. У сфері виробництва і експлуатації авіаційної техніки на перше місце треба ставити рентабельність вітчизняних повітряних суден (ПС) та їх конкурентноздатність. Авіаційна промисловість України у свій час набула певних позицій у світі в сфері літакобудування, які необхідно зберегти і підсилити. Для цього потрібно створювати сучасну конкурентноспроможну авіаційну техніку на основі найновітніших досягнень як у аеродинаміці так і у сфері авіаційного обладнання, зокрема у системах автоматичного керування. Створення систем керування маловисотними режимами польоту літака дозволить значно підвищити безпеку польотів, знизити залежність від метеорологічних умов, розширити спектр застосування авіації. Таким чином, розробка систем керування маловисотними режимами польоту ПС є дуже актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: дослідження, які склали основний зміст роботи, виконувались у відповідності з темою договірної НДР № 201-В73.

Мета і задачі дослідження: Метою дисертаційної роботи є розробка та аналіз систем керування маловисотними режимами польоту ПС з використанням ємнісних перетворювачів геометричних параметрів наближення до земної поверхні. Для досягнення поставленої мети автором визначені та розв'язані такі задачі:

1. Розробка принципу побудови ємнісних перетворювачів геометричних параметрів наближення до землі.

2. Розробка математичних методів та програмного забезпечення чисельного моделювання електростатичних полів ємнісних перетворювачів;

3. Визначення функції перетворення ємнісних пристроїв вимірювання геометричних параметрів наближення до землі шляхом математичного моделювання;

4. Синтез структур систем керування маловисотними режимами польоту з ємнісними вимірювачами;

5. Аналіз функціонування систем керування маловисотними режимами польоту з використанням ємнісних вимірювачів.

Наукова новизна роботи полягає у наступному:

1.

2.

3.

-

-

-

4.

5.

6.

7.

Практична значимість роботи:

1.

2.

3.

Особистий внесок автора. Дисертаційна робота є узагальненням результатів теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних автором особисто. В роботах з співавторами здобувачу належить розробка технічних засобів фізичного масштабного моделювання, розробка математичних моделей та алгоритмів, вибір методики досліджень і обчислювальних схем.

Апробація результатів роботи. Результати досліджень, проведених у дисертаційній роботі, доповідалися автором і обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: ВНТК “Методы управления системной эффективностью ПНК”, - м. Київ, 1991 р., "Аэронавигация – 96" – м. Київ, 1996 р., "Аэронавигация и авионика – 98" – м. Київ, 1998 р., МНТК “Авіа-2000”, м. Київ, 2000 р., МНТК “Авіа-2001”, м. Київ, 2001 р., а також на конференціях і семінарах у національному авіаційному університеті (м. Київ).

Реалізація результатів роботи:

1.

2.

3.

Публікації: За темою дисертації опубліковано 12 наукових праць (4 авт. свідоцтв, 3 статті у виданнях, перелік яких затверджений ВАК України, та 5 тез доповідей на наукових конференціях).

Структура та обсяг роботи: Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 66 найменувань та додатків. Обсяг роботи складає 154 сторінок машинописного тексту.

Зміст дисертаційної роботи

У вступі розкрита важливість досліджень і обґрунтована їх актуальність, сформульовані ціль і задачі дисертаційної роботи, зазначені наукова новизна і практична значимість роботи.

У першому розділі дається аналіз статистичних даних за 40-літній період (1958-1997 роки) експлуатації цивільних літаків у СРССР-СНД. 15% від загальної кількості катастроф обумовлені сутичками літаків із місцевістю. З метою пошуку шляхів запобігання авіаційних подій і підвищення безпеки польотів проведено аналіз маловисотних режимів польоту ПС. Як показує проведений аналіз режимів польоту ПС на малих висотах переважна кількість особливих ситуацій, аварій і катастроф припадає саме на ці режими. Аналіз обладнання сучасних ПС показав: режими зльоту для всіх типів ПС не автоматизовані, для магістральних і середньо магістральних літаків, а також для деяких типів вертольотів автоматизоване маневрування при заході на посадку і зниження по глісаді по сигналах курсоглісадній системи, легкомоторна авіація систем автоматичного керування не має.

Таким чином, безпека польоту в основному забезпечується тільки ступенем навченості і досвідом пілотів. Існуючі інструментальні засоби об'єктивного контролю параметрів польоту не мають необхідну і достатню точність, що є одним з чинників відсутності в системах керування контурів керування маловисотними режимами. Необхідна точна інформація про геометричні параметри наближення до земної поверхні або перешкод: геометрична висота, дальність до перешкоди й інші оцінки рельєфу місцевості поблизу ПС. З метою оцінки ефективності застосування для інформаційного забезпечення польотів на малих і надмалих висотах проведені огляд і аналіз методів і існуючих інструментальних засобів виміру геометричних параметрів наближення ПС до земної поверхні. Розглянуто локаційні методи (радіотехнічний, лазерний, акустичний, іонізаційний), локатори переднього огляду, інерціальній метод, електроємнісний метод. Розглянуто також вітчизняні і закордонні системи попередження про небезпечне зближення з землею. Аналіз показав таке. Найбільше поширеними є методи локації: радіотехнічний, лазерний. Проте за своїх специфічних властивостей радіо і лазерні висотоміри широкого застосування в складі систем автоматичного керування не одержали.

Електроємнісний метод, на наш погляд, найбільше прийнятний для виміру малих висот. Науково-дослідні роботи в цьому напрямку проводилися в Англії (1963-70 р.) і в СРСР: ВНДІЗАНГ - Краснодар, КІІЦА - Київ (1972-76 р.)

Ємнісний засіб виміру висоти використовує залежність зміни електричної ємності між розташованими на крилах або фюзеляжі повітряного судна пластинами конденсатора (електродами) при наближенні до них поверхні землі, води й ін., причому починаючи з деякий відстані до цієї поверхні при зменшенні висоти польоту ємність суттєво збільшується. У загальному випадку ємність змінюється при внесенні в електромагнітне поле такого конденсатора будь-яких об'єктів, електричні властивості яких відрізняються від електричних властивостей середовища, у якому утворене електромагнітне поле конденсатора. У такий спосіб вимір висоти польоту ємнісним методом зводиться до виміру інформаційної ємності у системі електродів ємнісного перетворювача. На міжелектродну ємність впливає відстань до земної поверхні, що може бути використане для виміру висоти польоту. На відміну від локаційних, ємнісної засіб виміру висоти дає інтегральну оцінку висоти. Якщо на шляху проходження ПС виявиться зміні рельєфу місцевості (схил горі, яр, ліс), то це змінить картину електромагнітного поля ємнісного перетворювача і дозволить одержати попереджуючу інформацію про зміну рельєфу.

Для з'ясування механізму утворення цих змін, проектування найкращої конфігурації електромагнітного поля, утвореного системою електродів, складу, геометрії і розмірів системи електродів, а також пошуку шляхів формування бажаної конфігурації електромагнітного поля проведено теоретичні й експериментальні дослідження.

Задачі досліджень:

6. Розробка методик та устаткування для проведення експериментальних досліджень електроємнісних перетворювачів;

1.

2.

3.

4.

5.

6.

У другому розділі дається опис експериментальних досліджень і метрологічне забезпечення вимірів геометричної висоти польоту шляхом проведення напівнатурного масштабного моделювання і проведення льотних випробувань макету ємнісного перетворювача на літаку Ан-2.

Для лабораторних досліджень по вивченню характеру зміни ємності між електродами в залежності від висоти і властивостей підстильної поверхні була створена експериментальна установка, що забезпечує вертикальне переміщення досліджуваної моделі літака з розташованими на ній електродами ємнісного перетворювача і відрахунок висоти моделі над поверхнею. Модель встановлювалась на бажаній висоті над кюветою із досліджуваною речовиною, що імітує підстильну поверхню (вода, пісок, вологий грунт та інше.). Кювета мала розміри на порядок більше розмірів моделі. Обране співвідношення наближало умови експерименту до реального. Відрахунок висоти провадився за допомогою оптичного пристрою ПС-35. Розміщення всіх деталей і вузлів вертикального переміщення (“ліфта”) виконано так, що модель переміщається практично в геометричному центрі помешкання лабораторії в гранично можливому віддаленні від стін і металевих предметів. Всі сторонні, що не мають відношення до експерименту, предмети з помешкання лабораторії видалені. Досліджувалися дві моделі ММС-1 і ММС-2 (рис. 1. ).

Для моделі ММС-1 (М1:100) дослідження проводилися в діапазоні висот від 1 до 10 см над такими поверхнями: алюмінієвий лист, вода прошарком у 7 і 11 см, 1%-вий і 2%-вий розчини повареної солі, пісок сухий; пісок вологий. Як показав аналіз отриманих графіків характер зміни ємності від висоти нелінійний і неоднозначний. Мінімальні значення ємності знаходяться в районі значень висоти 4,5…5,5 см.

У патенті Великобританії № 989095, Capacitance altimeter, 1970, стверджується, що діапазон висот, що вимірюються, у ємнісного висотоміра з горизонтально розташованими плоскими електродами не перевищує дистанції між електродами. Дійсно, отримані результати відповідають приведеному твердженню Мабуть, ця обставина і послужила тому, що такі

пристрої не одержали подальшого розвитку і застосування. Проте характер зміни ємності на висотах, що перевищують розмір ємнісного перетворювача залишився не досліджуваний. Вплив електричних властивостей підстильної поверхні, мабуть, невеликий. Розкид отриманих характеристик знаходиться в межах похибки вимірів. На моделі ММС-2 досліджувалися декілька варіантів форм і розміщення електродів. Графіки наведені на рис. 2. Характер зміни ємності на висотах 25…30 см має тенденцію до подальшого збільшення, і таким чином, діапазон висот, що вимірюються, мабуть, можна збільшити. Точка перегину кривої (6,5…9 см) зберігає старе значення, тобто дійсно визначається розміром ємнісного перетворювача (дистанція між центрами плоских електродів моделі ММС-2 складає 8 см). З метою розширення діапазону висот, що вимірюються, шляхом виміру надмалих значень ємності був створено пристрій для виміру ємностей порядку 10-6 пф. (макет ємнісного висотоміра).

Схема електроємнісного висотоміра являє собою: трансформаторний міст, що складається з плечового трансформатору, конденсатора, що врівноважує, і ємності моделі, генератора живлення мосту, вхідного підсилювача, вимірювального підсилювача, синхронного детектора, індикатора (в експерименті використовувався вольтметр В3-13) і блока живлення, що забезпечує схеми генератора і підсилювачів.

Рис.1. Фізична масштабна модель ММС-2.

Рис. 2. Залежність міжелектродній ємності від висоти над досліджуваною поверхнею: (ММС-2, а - електроди циліндричні, розміщені вздовж фюзеляжу, б - електроди плоскі: 1 - металевий лист; 2- мокрий пісок.

Корпус вимірювального блока макета висотоміра виготовлений із суцільної силуминовой заготівлі розміром 160х300х100 мм, у якій вифрезеровані порожнини для плат генератора, підсилювачів, блока живлення й інших елементів схеми. Корпус, кришки й інші елементи конструкції (рис. 3.) виконані так, щоб забезпечити жорстку екраніровку елементів схеми. Лабораторні дослідження чутливості макету по ємності показали, що поріг чутливості складає 0,62*10-6 пф при співвідношенні сигнал/шум рівному одиниці. Результати досліджень змін вихідного сигналу у функції висоти подані на рис. 4.

Рис. 3 Вимірювальний блок макета висотоміра.

Рис. 4. Залежність напруги на виході макета висотоміра від висоти над досліджуваною поверхнею: алюмінієвий лист (товщина 1,5 мм), вода (товщина прошарку 7 см), пісок сухої (товщина прошарку 5 см), пісок вологий (товщина прошарку 5 см, об'ємне співвідношення вода/пісок -1:6.

Як очевидно з аналізу отриманих даних розроблений вимірювач малих ємностей дозволив істотно розширити діапазон висот, що вимірюється. Максимально можливе значення висоти склало 60 см. Приведені графіки показують також, що характер підстильної поверхні незначно впливає на точність вимірів. Одержано досить непоганий збіг кривих, отриманих над різноманітними поверхнями. Такі поверхні як вода, сухий або вологий пісок, природні грунти мають повну провідність одного порядку, чим і пояснюється незначний розкид отриманих характеристик.

Для підтвердження отриманих характеристик ємнісного висотоміра і подальшого дослідження шляхів його удосконалювання проведені льотні дослідження. Для методичного і технічного забезпечення льотних досліджень розроблена методика їх проведення і виготовлені наземні і бортові технічні засоби оцінки параметрів макета ємнісного висотоміра

На розроблену конструкцію електродів і засіб їх кріплення на крилі отримано дозвіл керівника підприємства № А-3395 на встановлення електродів на літаку Ан-2. Розроблено спеціальну методику оцінки висоти польоту літака Ан-2 при проведенні льотних випробувань макету. Для фіксації відрахунків проводилося одночасне фотографування з двох базових точок на землі і фотоапаратом на борту літака (для фотографування показань індикатора). Сигнал для одночасного спуска фотоапаратів передавався по проводам і радіоканалу. Наземне обладнання показано на рис. 5.

Рис. 5. Визначення геометричної висоти польоту літака методом тріангуляції.

Льотні випробування виявили таке:

-

-

-

-

Отримані результати дозволяють зробити такі висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

У третьому розділі розглядаються теоретичні положення щодо побудови ємнісних перетворювачів оцінювання геометричних параметрів положення ПС поблизу земної поверхні. Характер залежності інформаційної ємності визначається тільки геометричними параметрами провідників (конструкція системи електродів перетворювача, їх розміщення на повітряному судні) та електричними параметрами навколишнього середовища. Синтез структури вимірювача геометричних параметрів положення ПС поблизу земної поверхні можна виконати тільки за результатами моделювання електромагнітного поля ємнісного перетворювача. Як доведено у роботі розрахунок параметрів електромагнітного поля ємнісного перетворювача з метою одержання оцінок інформативних параметрів перетворювача і подальшого їхнього аналізу можна виконати, користуючись методами і математичним апаратом електростатики.

Електростатичне поле являє собою окремий випадок електромагнітного поля, коли джерелами поля є нерухомі електричні заряди. Розподіл заряду по поверхні провідника відповідає розподілу потоків електростатичної індукції і є шуканою функцією. При такому поставленні електростатичної задачі необхідно задавати потенціали провідників або їхні повні заряди. Встановлені вище властивості потенціалу і зарядів дозволяють дати загальне формулювання електростатичної задачі. При цьому передбачається, що діелектрики є однорідними ізотропними і всі джерела поля розташовані на кінцевій відстані від початку відліку.

Розроблено методику поставлення і рішення задач чисельного моделювання електромагнітного поля ємнісного перетворювача. Метою моделювання є одержання функції перетворення ємнісного перетворювача, дослідження чинників, що впливають, і пошук шляхів досягнення бажаного виду функції перетворення.

Задача моделювання виконана згідно з алгоритмом:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Вважаючи на вищенаведене розроблено математичний апарат для розрахунку потенціалів простору, що оточує модель, отримана розрахункова формула, складено алгоритм і програми розрахунку потенційного поля ЕПСНП, розроблена оптимізація обчислювального процесу, складено алгоритм і програми розрахунку значень зарядів елементів моделі і їхніх співвідношень. Розроблено алгоритм і програма розрахунку функції перетворення. Розроблено методику розрахунків потенціалів по зонах, що вкладені одна в другу, кожна зона має крок сіткі у двічі менший ніж у зовнішній зоні, це дозволило значно розширити розрахункову область а з тим і діапазон відстаней, при чому точність розрахунків і витрати машинного часу ПЕОМ практично не змінилися.

Графік розрахованої залежності значень ємності від висоти наведений на рис.6.

Рис 6. Статична характеристика ЕПСНП, діапазон висот 2…100 м із кроком 2 м, L-подовжній розмір приймального електрода.

Порівняльний аналіз розрахункових (рис. 6.) і експериментальних (рис. 2, 4.) даних показує достатньо гарний збіг характеру кривих. З метою пошуку і дослідження чинників, що впливають на характер статичної характеристики ЕПСНП, складена програма розрахунку і побудови картини силового поля. Алгоритм програми побудований на принципі обчислення градієнту в черговій точці силової лінії. Виконано розрахунки координат силових ліній для потенційного поля при Н=100 м (рис.7.), і для потенційного поля при Н=50 м (рис.8.). Як видно з рис.7., потік електростатичної індукції, утворюваний електродами, що випромінюють, розподіляється на три частини: 1-потік між електродами, що випромінюють, і нижньою поверхнею корпуса ПС, 2- потік між електродами, що випромінюють, і верхньою поверхнею корпуса ПС і 3- потік електростатичної індукції, що іде в безкрай. Значення інформаційної ємності на великих висотах визначається в основному потоком 1. При наближенні земної поверхні відбувається перерозподіл зарядів усіх тіл, що складають систему. На земній поверхні виникає заряд, наявність якого призводить до формування додаткового потоку електростатичної індукції 4 (рис. 8.). Потоки 1,2,3 також перетерплюють зміну. Найбільше істотним є зміна потоку 1, змінюється його конфігурація, зменшується щільність електростатичної індукції. В міру наближення до земної поверхні потік 4 посилюється, а потік 1 зменшується. Значення ємності, утворене потоком 4, із збільшенням висоти можна описати обернено пропорційним законом зміни, а значення ємності, утворене потоком 1- близьким до експоненціальному закону виду . Статична характеристика може бути подана у вигляді

де ,,, -параметри, що залежать від геометрії системи тіл, тобто від розмірів, форми, і взаємного розташування корпуса і системи електродів перетворювача. Графічна інтерпретація залежності подана на рис. 9, де крива Эксп - експериментальна статична характеристика, крива 1- складова, обумовлена потоком електростатичної індукції 1, крива 4- складова, обумовлена потоком електростатичної індукції 4.

Рис.7. Картина силового поля ЕПСНП на великих висотах.

Рис. 8. Картина силового поля ЕПСНП на висоті 50 м.

Рис. 9. Формування статичної характеристики ЕПСНП.

Звідці випливає, що для усунення неоднозначності статичної характеристики необхідно істотно зменшити складову 1. Вважаючи на вищенаведене, виконане математичне моделювання з розміщенням електродів, що випромінюють, на верхній поверхні крила. Одержані характеристики наведені на рис. 10. Як очевидно з графіків, отримана однозначна статична характеристика. Для порівняння на цьому ж графіку подана статична характеристика з нижнім розташуванням електродів. Слід зазначити, що взаємодія системи електродів із земною поверхнею здійснюється по площі деякоі “плями”, із якого випливає потік 4.

Рис.10. Статичні характеристики ЕПСНП із верхнім (1) і нижнім (2) розташуванням електродів, що випромінюють,…100 м із кроком 2 м.

Можна вважати, що оцінка висоти здійснюється інтегрально по площі цієї плями. З зменшенням висоти пляма взаємодії збільшується, що дає можливість одержувати інформацію про наближення перешкоди. З метою вивчення характеру вищенаведеного явища і виявлення можливості його використання проведене дослідження функції перетворення ЕПСНП при наближенні до перешкоди. Для цього система електродів розміщена у подовжній площині ПС, тобто випромінюючі електроди розміщені на фюзеляжі ПС на передній і задній його частинах. Приймальній електрод поділено на дві рівних частини. Досліджувалась зміна різниці ємностей переднього і заднього секторів, а також загальна ємність на приймальному електроді. Моделювалось наближення 300-ного схилу гори при польоті на постійній висоті 50 м. Результати досліджень наведені на рис. 11., DH – відстань від ПС до схилу.

Рис. 11. Статичні характеристики ЕПСНП при наближенні до схилу (політ на висоті 100 м).

Таким чином, отримані результати дозволяють синтезувати системи автоматичного керування маловисотними режимами польоту ПС на основі використання вимірювачів геометричних параметрів наближення ПС до земної поверхні.

У четвертому розділі дається огляд по автопілотах і САУ ПС цивільної авіації. Аналіз показав відсутність контурів автоматичного керування маловисотними режимами польоту в сучасних САУ літаків ЦА. Існуючі системи посадки забезпечують тільки діректорний режим керування по сигналах радіотехнічних засобів посадки. Судячи з навчальної і методичної літератури вищих військових навчальних закладів можна зробити висновок про застосування в складі САУ сучасної військової авіації контурів автоматичного керування маловисотними режимами польоту. Вимірювачами параметрів маловисотного польоту застосовуються радіовисотоміри і локатори ближнього огляду. У складі систем автоматичного керування і пілотажних комплексів сучасних вертольотів деякі маловисотні режими автоматизовані.

Для рішення задач синтезу ємнісного вимірювача параметрів наближення до земної поверхні дається огляд методів і засобів виміру надмалих значень ємності. Показано, що найбільше прийнятними є трансформаторні вимірювальні мости. Запропоновані структури вимірювачів параметрів наближення до земної поверхні та перешкод. Узагальнена структурна схема чотириканального ємнісного перетворювача подана на Рис. 12.

Рис. 12. Багатоканальний пристрій виміру параметрів маловисотного польоту.

Система електродів для літака пропонується така. Високопотенційні електроди (ВПЕ) розміщені на кінцевих частинах крила, передній і задній частинах фюзеляжу і електрично з’єднані між собою. Низкопотенційні електроди (НПЕ) утворюють сектори кола і розміщені на нижній поверхні фюзеляжу поблизу крила. Для вертольоту ВПЕ можуть бути розміщені на передній, задній та бокових поверхнях корпусу вертольоту, або у вигляді кільця на нижній поверхні корпусу ПС. НПЕ мають аналогічний вигляд і розміщені симетрично відносно ВПЕ, або у центрі кільця. На схемі система електродів показана умовно. Ємнісний перетворювач складається з багатоплечевого трансформаторного мосту з системою електродів та блоком опорних конденсаторів і генератора живлення мосту та цифрової системи автоматичного врівноваження, яка у свою чергу складається з блоку вхідних підсилювачів, блоку логічних схем, блоку реверсивних лічильників та блоку електронних ключів. Усі чотири складові багатоплечевого трансформаторного мосту за допомогою підстроювання опорних конденсаторів в наземному стані ПС врівноважуються. При цьому цифрова система автоматичного врівноваження відключена. При функціонуванні чотириканального ємнісного перетворювача врівноваження кожного каналу здійснюється шляхом зменшення напруги на плечі ЕЗП (елемент зі змінним параметром), при чому закон зміни відповідає двоічному спадаючому коду, тобто 1, ?, ј …? так далі. На виході лічильників маємо звичайний двоічний код, який через електронні ключі керує комутацією обмоток плечей ЕЗП, а також йде на систему індикації та в САУ. Якщо політ здійснюється над горизонтальною поверхнею, вихідні сигнали усіх чотирьох каналів рівні між собою. При появі з будь-якого боку зміни рельєфу відбудеться перерозподіл сигналів, що буде відображати характер рельєфу.

Запропоновано кілька варіантів систем автоматичного керування маловисотними режимами польоту літака та вертольоту. На Рис. 13 наведена структурна схема САУ маловисотного польоту вертольоту. Система складається з ємнісного перетворювача геометричних параметрів наближення до рельєфу (ЄПГПН), цифрового лінеаризатора, обчислювача

інтегральної висоти польоту ( ), коректора-задавальника геометричної висоти (КЗВГ), коректора-задавальника шляхової швидкості (КЗШШ), доплеровського вимірювача шляхової швидкості (ДВШЗ), підсилювачів потужності по каналах курсу, тангажу і висоти та пілотажного індикатора.

Рис.13. Система автоматичного керування маловисотним польотом вертольоту.

Система починає функціонувати по команді льотчика. КЗВГ фіксує поточне значення геометричної висоти, чим формує значення Нзад. КВШШ фіксує поточне значення Wзад. Відхилення від Нзад. подається в канал зміни загального кроку несучого гвинта, чим забезпечує огинання рельєфу. Похідна сигналу поточної висоти додається для покращання перехідного процесу. При наявності дуже великих перешкод попереду, наприклад крутого схилу, огинання рельєфу з постійною швидкістю може бути неможливим, необхідно знизити швидкість. Для цього використовується сигнал різниці між значеннями виміряної висоти у повздовжньому напрямі, тобто різниця сигналів переднього і заднього вимірювачів. Цей сигнал несе інформацію про відстань до перешкоди. Продиференцьований сигнал несе інформацію про швидкість наближення до перешкоди. Подаючи цей сигнал у канал автомата перекосу змінюємо швидкість руху. У випадку наближення до перешкод, що потребують виконання режиму вертикального польоту, можна використати сигнал наближення DH безпосередньо. Різниця між сигналами у боковому напрямку подається на індикацію льотчику для оцінки рельєфу з боків і корекції напрямку руху.

Висновки

1. На основі аналізу маловисотних режимів польоту ПС показано необхідність автоматизації польотів на малих висотах. Автоматизація польотів на малих висотах стримується відсутністю вимірювачів геометричної висоти. Найбільше прийнятним методом одержання такої інформації є ємнісної метод виміру малих висот.

2. Проведено експериментальне дослідження по вимірюванню геометричної висоти польоту ПС за допомогою ємнісних перетворювачів, результати напівнатурних масштабних та льотних досліджень показали практичну значимість ємнісного методу вимірювання геометричної висоти.

3. Проведено теоретичне дослідження ємнісних перетворювачів методами математичного моделювання, розроблено поставлення задачі моделювання, методику розрахунків потенціалів електростатичного поля, розроблено програмне забезпечення моделювання. Одержані результати математичного показали таке:

-

-

-

-

4. Використовуючи одержані результати досліджень синтезовано структури ємнісних вимірювачів геометричних параметрів наближення до земної поверхні.

5. Синтезовано структури САУ для літака та вертольота, яки дозволять автоматизувати зліт та посадку літака до приземлення, забезпечити маловисотний політ вертольоту в режимі слідкування за рельєфом та огинанням у горизонтальній площині в автоматичному режимі.

Список опублікованих праць:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

Анотація

Анатолій Павлович Козлов. Системи керування маловисотним польотом повітряних суден з електроємнісними перетворювачами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 – Системи та процеси керування, Національний авіаційний університет, Україна, Київ, 2002.

У роботі проведено аналіз маловисотних режимів польоту ПС, показано необхідність їх автоматизації. Для цього потрібні вимірювачі геометричних параметрів наближення до земної поверхні. Показано, що найбільше прийнятним методом одержання такої інформації є ємнісної метод.

Проведено експериментальне дослідження ємнісного вимірювача малих висот польоту ПС, поставлена задача математичного моделювання електростатичних полів ємнісних перетворювачів, розроблено алгоритми та програмне забезпечення чисельного моделювання. По результатах моделювання розроблено структури ємнісних вимірювачів параметрів наближення до земної поверхні або перешкод, запропоновано структури систем керування маловисотними режимами польоту літака та вертольоту з ємнісними вимірювачами, проведено їх аналіз.

Ключові слова. Маловисотні режими польоту, ємнісні перетворювачі, геометричні параметри наближення до землі, математичне моделювання, системи керування маловисотними режимами польоту.

The summary

Anatoliy Pavlovych Kozlov. Aircraft Flight Control Systems a low altitudes using capacitor traducers. - Manuscript. The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science (Ph. D) on a specialty 05.13.03 - System and control processes, National Aviation University, Ukraine, Kiev, 2002.

In this work the analysis of flights of aircraft at low altitudes is carried out, the necessity of their automation is shown. For this purpose are necessary to develop the measuring device for definition geometrical parameters of approach to a terrestrial surface. Is shown that the capacitor method is a most acceptable method of reception of such information. The experimental research capacitance meter at low altitudes of flight of aircraft is carried out, the task of mathematical modeling of electrostatic fields of capacitor traducers is put, and the algorithms and software of numerical modeling are developed. By results of modeling the structure capacitance meters of parameters of approach to a terrestrial surface or obstacle are developed. In this work the structures of control systems by modes of flight at low altitudes of the plane and helicopter with capacitance meters are offered, their analysis is carried out.

Key words. Modes of flight of aircraft at low altitudes, capacitor traducers, geometrical parameters of approach to a terrestrial surface, mathematical modeling, control system by modes of flight of aircraft at low altitudes.

Аннотация

Анатолий Павлович Козлов. Системы управления маловысотным полетом воздушных судов с электроемкостными преобразователями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 - Системы и процессы управления, Национальный авиационный университет, Украина, Киев, 2002.

Диссертация посвящена разработке систем автоматического управления маловысотными режимами полета ВС. В роботе проведен анализ маловысотных режимов полета самолета и вертолета. Показана необходимость автоматизации полетов на малых высотах. Автоматизация полетов на малых высотах сдерживается отсутствием измерителей геометрических параметров приближения к земной поверхности. Показано, что наиболее приемлемым методом получения такой информации является емкостной метод измерения малых высот. Рассматривается принцип построения емкостных преобразователей геометрических параметров приближения ВС к земле, приведено описание разработанного оборудования для проведения экспериментальных исследований электроемкостных преобразователей; а также методики проведения летных испытаний макета емкостного высотомера малых высот. Результаты экспериментальных исследований показали:

-

-

Для выяснения механизма образования статической характеристики емкостного преобразователя поставлена задача математического моделирования электростатических полей емкостных преобразователей. Для решения поставленной задачи разработан математический аппарат и программное обеспечение численного моделирования электростатических полей емкостных преобразователей. Численное моделирование составлялось из таких задач:

-

-

-

-

Получена расчетная статическая характеристика емкостного преобразователя в функции высоты. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных показывает достаточно хорошее совпадение характера кривых.

С целью поиска и исследования факторов, которые влияют на формирование статических характеристик емкостного преобразователя, и путей устранения неоднозначности статических характеристик исследуются картины силового поля. В результате анализа полученной информации найден подход для формирования однозначности статических характеристик. Исследуется реакция емкостного преобразователя на приближение к склону горы при полете на неизменной высоте. Полученные результаты позволяют синтезировать системы автоматического управления маловысотными режимами полета ВС на основе использования измерителей геометрических параметров приближения ВС к земной поверхности.

В роботе предложены структуры систем управления маловысотными режимами полета самолета и вертолета с емкостными измерителями геометрических параметров приближения к земной поверхности, проведен анализ функционирования систем управления маловысотными режимами полета с использованием емкостных измерителей. Синтезированные структуры САУ позволят автоматизировать взлет и посадку самолета до приземления, обеспечить маловысотный полет вертолета в режиме слежения за рельефом и огибанием препятствий в горизонтальной плоскости в автоматическом режиме.

Ключевые слова. Маловысотные режимы полета, емкостные преобразователи, высота полета, геометрические параметры приближения к земле, математическое моделирование, электростатическое поле, программное обеспечение численного моделирования, системы управления маловысотными режимами полета.

Підписано до друку 20.03.02. Формат 6084/16. Папір газетний.

Офсетний друк. Уч. фарбовідб. 6. Ум. друк. арк. 1,39. Обл. -вид. арк. 1,5.

Тираж 100 прим. Замовлення № 43 –1. Вид. №4/ІІ

Видавництво НАУ.

03058. Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1.