CN106184775A - 一种飞机自动油门系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋桨类运输飞机自动油门系统，该系统与自动驾驶仪系统和机械式发动机操纵系统交联，实现了对飞行速度的控制，尤其是在低动压状态下，满足了自动飞行时的速度稳定以及对航迹角的控制要求。该系统包括油门伺服控制器、油门杆作动器、显控板、速断开关等，简单、可靠，操作方便。

Description

一种飞机自动油门系统

技术领域

本发明属于航空技术领域，是关于一种飞机自动油门系统，具体地说，是实现对飞机飞行速度自动保持功能，主要应用于螺旋桨类大中型运输机和民用飞机。

背景技术

螺旋桨类大中型运输机通过自动驾驶仪系统可以实现自动飞行控制，减轻驾驶员的工作强度。由于这种自动飞行控制系统无自动油门系统，不能实现与自动驾驶仪系统和机械式发动机操纵系统交联，实现对飞行速度的控制，尤其在低动压状态下，无法满足速度稳定以及对航迹角的控制要求。

发明内容

(一)发明目的

本发明克服了螺旋桨类大中型运输机现有自动飞行控制系统的缺点，提供了一种新型自动油门系统，通过与自动驾驶仪系统和机械式发动机操纵系统交联，实现对飞机飞行速度自动保持功能。

(二)技术方案

本发明的技术方案是：一种飞机自动油门系统(原理交联图见附图1)，其包括操纵部件1、敏感元件2、显示告警单元5、综合飞控计算机7、自动驾驶仪系统9、油门伺服控制器11、第一油门杆作动器13、第二油门杆作动器14、速断开关19、1发油门杆21、2发油门杆22、3发油门杆23、4发油门杆24、1号发动机25、2号发动机26、3号发动机27、4号发动机28，其中：

操纵部件1通过一电缆3与综合飞控计算机7交联，敏感原件(信号源)2通过二电缆4与综合飞控计算机7交联，显示、告警单元5通过三电缆6与综合飞控计算机7交联，自动驾驶仪系统9通过四电缆8与综合飞控计算机7交联。

油门伺服控制器11通过五电缆10与综合飞控计算机7交联，通过六电缆12与第一油门杆作动器13和第二油门杆作动器14交联，第一油门杆作动器13通过三钢索17与1发油门杆21连接，第一油门杆作动器13通过四钢索18与4发油门杆24连接，第二油门杆作动器14通过二钢索16与2发油门杆22连接，第二油门杆作动器14通过一钢索15与3发油门杆23连接。

1发油门杆21通过1发钢索29与1号发动机25连接，2发油门杆22通过2发钢索30与2号发动机26连接，3发油门杆23通过3发钢索31与3号发动机27连接，4发油门杆24通过4发钢索32与4号发动机28连接。

速断开关19通过七电缆20与综合飞控计算机7交联。

油门杆作动器与发动机油门杆的连接关系见附图2，其中：

第一油门杆作动器滑轮3与一钢索5连接，第二油门杆作动器滑轮4与二钢索6连接，1、4发油门杆14与发动机油门杆钢索一11连接，2、3发油门杆16与发动机油门杆钢索二12连接，一钢索5通过螺纹套管一7和螺纹套管二8与发动机油门杆钢索一11连接，二钢索6通过螺纹套管三9和螺纹套管四10与发动机油门杆钢索二12连接。

速断开关15安装在1、4发油门杆14上。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在中型螺旋桨类运输机上实现了自动油门控制，与自动驾驶仪系统和机械式发动机操纵系统交联，实现了对飞行速度的控制，尤其是在低动压状态下，满足了自动飞行时的速度稳定以及对航迹角的控制要求，大大提高了飞机的自动飞行能力和自动化水平。

本发明克服了螺旋桨类大中型运输机现有自动飞行控制系统的缺点，提供了一种新型自动油门系统，通过与自动驾驶仪系统和机械式发动机操纵系统交联，实现对飞机飞行速度的自动保持功能，提高了飞机的自动飞行能力和自动化水平。

附图说明

图1为一种飞机自动油门系统框图；图中，1.操纵部件 2.敏感原件(信号源) 3.一电缆 4.二电缆 5.显示、告警单元 6.三电缆 7.综合飞控计算机 8.四电缆 9.自动驾驶仪系统 10.五电缆11.油门伺服控制器 12.六电缆 13.油门杆作动器(1) 14.油门杆作动器(2) 15.一钢索 16.二钢索 17.三钢索 18.四钢索 19.速断开关 20.七电缆 21. 1发油门杆 22. 2发油门杆 23. 3发油门杆 24. 4发油门杆 25. 1号发动机 26. 2号发动机 27. 3号发动机 28. 4号发动机 29. 1发钢索 30. 2发钢索 31. 3发钢索 32. 4发钢索。

图2为油门杆作动器与发动机油门杆的交联框图。

图中，1.第一油门杆作动器 2.第二油门杆作动器 3.第一油门杆作动器滑轮 4.油门杆作动器(2)滑轮 5.一钢索 6.二钢索 7.螺纹套管一 8.螺纹套管二 9.螺纹套管三 10.螺纹套管四 11.发动机油门杆钢索一 12.发动机油门杆钢索二13.发动机油门杆滑轮 14. 1、4发油门杆 15.速断开关 16. 2、3发油门杆

具体实施方式

本发明通过与自动驾驶仪系统和发动机操纵系统交联，实现速度保持功能

速度控制的方法有两种：一是通过控制升降舵，改变俯仰角以达到速度控制；二是通过控制油门杆位移，改变发动机拉力以达到速度控制。由于飞机纵向运动中飞行速度和俯仰姿态角之间存在着气动耦合，当增加推力时，不仅直接引起飞行速度的增加，而且还会引起俯仰角的增大，俯仰角增大又会导致飞行速度下降。因此，要改变飞行速度必须保持俯仰角。所以，通过自动油门系统与自动驾驶仪系统交联的方式，实现自动飞行时角度与速度运动之间的解耦，在自动油门系统对飞行速度进行控制的同时，由自动驾驶仪系统完成对飞机纵向运动参数的控制或保持。

驾驶员通过操纵部件1上的自动驾驶仪接通按钮接通自动驾驶仪系统9，自动驾驶仪系统9控制副翼、升降舵和方向舵偏转来维持自动飞行时的姿态、航向和航迹。驾驶员通过操纵部件1上的自动油门接通按钮接通自动油门系统，敏感原件(信号源)2测量飞机运动参数和发动机参数发送给综合飞控计算机7，综合飞控计算机7对接收到的指示空速信号与系统要求的指示空速信号进行比较，不一致时，则形成误差信号ΔUv，这一误差信号进入系统控制律进行计算后形成位置控制信号给油门伺服控制器11，油门伺服控制器11接收综合飞控计算机7发出的位置控制信号，综合油门杆位置等反馈信号进行运算、功率放大，驱动第一油门杆作动器13和第二油门杆作动器14，每台油门杆作动器中的电机接收到油门伺服控制器11发出的功率驱动信号，带动减速器工作达到要求的转速，经电磁离合器、摩擦离合器传递给滑轮，滑轮将要求的转矩输出给发动机油门杆驱动发动机油门杆21、22、23、24偏转。发动机油门杆的偏转控制发动机油门角度的改变，发动机油门的改变使飞机拉力改变，最终达到控制飞行速度的目的。当综合飞控计算机7接收到的指示空速信号与系统要求的空速信号相一致时，自动油门系统维持当前的发动机油门角度，达到保持飞行速度的目的。

正常情况下，如果需要断开自动油门系统，可以通过1、4发油门杆上的自动油门速断开关19断开自动油门系统。

2油门杆作动器与发动机油门杆的交联

由于发动机操纵系统为机械式控制系统，所以，油门杆作动器与发动机油门杆的交联形式采用滑轮-钢索的连接形式。油门杆作动器的输出端和发动机油门杆的输出端均采用直径为100mm的滑轮，连接钢索与滑轮之间采用球头和开口销固定，球头采用HB5-17-2.5，开口销采用GB91 2×18。油门杆作动器钢索与发动机油门杆钢索之间通过螺纹套管连接。油门杆作动器上安装有防脱装置，防止钢索从滑轮槽脱落。

安装调整方法如下：

第一步：发动机操纵系统调整合格，自动油门系统处于断开状态，分别测量4个油门杆的操纵力，应符合设计要求；

第二步：接通自动驾驶仪系统；

第三步：调整第一油门杆作动器和第二油门杆作动器的滑轮，使滑轮刻线与壳体刻线(白色)对齐，显示、告警单元中自动油门测试页中油门杆位置表决值在0；

第四步：接通自动油门系统，使油门杆作动器电磁离合器吸合；

第五步：调节发动机油门杆，使4台发动机油门均处于自动油门系统要求的中立位置角度；

第六步：连接发动机油门杆与油门杆作动器的连接钢索，调节钢索张力，使张力满足设计要求；

第七步：断开自动油门系统与自动驾驶仪系统。

3自动油门控制律

自动油门系统控制律由软件实现，装订在综合飞控计算机中，为保证不同飞行状态下的控制品质满足指标要求，控制律能够进行自动调参。综合飞行控制计算机引入速度偏差信号、速度偏差的积分信号、俯仰角速率信号。其中速度偏差的积分信号起消除稳态误差作用，俯仰角速率信号在速度调整过程中起稳定作用，过渡过程大部分是按比例式控制规律进行的，过程收敛快。当速度偏差小于一定值时，积分信号才接入，以进一步减小静态误差。自动油门系统的控制律设计为：

${\mathrm{\δ}}_P=K_{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{V}}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{V}+K_{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{V}}_i}\∫\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{V}\mathrm{dt}+K_{{\mathrm{\ω}}_z}{\mathrm{\ω}}_z$ 其中，

当空速传感器给出的信号Uv与要求的空速信号Uvg不一致时，则形成误差信号ΔUv，这一误差信号进入自动油门系统，由它改变发动机油门的位置从而改变发动机推力以控制飞行速度，最终使飞行速度与要求值相一致。为了改善控制过程的动特性，引入了空速的微分信号，为了提高控制精度还引入速度的积分信号。自动油门系统通过控制自动油门位移而控制发动机，由于从发动机自动油门出现位移到建立推力的过程是一非周期过程，其时间常数较长，而飞机速度对于推力的反应过程又是一个时间常数较大的非周期过程，这就决定了整个系统的动态过程是缓慢的。因此，控制律中增加了超前量控制。

由于空速传感器及纵向加速度传感器都会感受到阵风干扰，所以，综合飞控计算机对来自传感器的信号进行阵风滤波，然后再参加控制律运算。

综合飞控计算机对进入比例积分控制器的综合信号进行限幅，从而使自动油门不致于有过大的动作。另外可设定速度的变化率，当ΔV小于限幅值则按指数规律保持于Vgi增加，积分器在小于某一值时才被接入控制律中进行运算。这样系统就有响应曲线平滑、无振荡、调节时间短等优点。

4系统安全性设计

由于自动油门系统是通过与自动驾驶仪系统和机械式发动机操纵系统交联，实现对飞行速度的控制，尤其是实现低动压等特殊状态下的速度稳定和航迹角控制，所以系统安全性设计非常重要，主要从以下几个方面进行了设计：

1)限制系统控制范围。由于自动油门系统是与自动驾驶仪系统结合使用的，根据飞机自动驾驶仪的使用剖面，通过分析计算确定出自动油门系统控制范围为：X～84°(X值根据大气静温与最小油门角度的对应关系进行解算确定，X最小值为25°)。

2)限制系统的控制权限。为了在系统出现严酷故障时确保飞行安全，同时满足系统功能需求，在考虑包括高度保持精度、速度保持精度、稳定爬升、低空机动性以及安全性等各种情况，通过分析计算确定出自动油门系统的控制权限为-25°～+25°。

3)限制系统的控制速度。油门杆转动速率限制的目的就是为了防止太快地推油门，从而造成发动机喘振，使发动机停车，太慢，飞机的响应就慢，显得操纵迟滞。通过分析计算油门偏转速度确定为15°/s，以保证发动机工作的安全性及飞机合适的响应。

4)对系统进行余度设计。系统设计成容错式系统，进行余度设计，具备一次故障工作、两次故障安全的能力。

5)设置BIT功能。系统设计有上电自检测、地面自测试、空中自监控、失效报警及故障断开以及飞行状态记录功能。以便空、地勤人员直接发现故障采取措施，保证系统的正常工作状态。

6)系统设置了多种断开方式。系统设置了速断、电源开关断开、故障断开等多种断开方式，确保系统能够与发动机操纵系统可靠断开。

5状态指示

自动油门系统向显示、告警单元发送系统状态信息、故障信号、测试信息等，为驾驶员和维护人员提供良好的人机交互接口。

Claims (1)

1.一种飞机自动油门系统，其特征是，其包括操纵部件(1)、敏感元件(2)、显示告警单元(5)、综合飞控计算机(7)、自动驾驶仪系统(9)、油门伺服控制器(11)、第一油门杆作动器(13)、第二油门杆作动器(14)、速断开关(19)、1发油门杆(21)、2发油门杆(22)、3发油门杆(23)、4发油门杆(24)、1号发动机(25)、2号发动机(26)、3号发动机(27)、4号发动机(28)，其中：

操纵部件(1)通过一根电缆(3)与综合飞控计算机(7)交联，敏感原件(2)通过二电缆(4)与综合飞控计算机(7)交联，显示、告警单元(5)通过三电缆(6)与综合飞控计算机(7)交联，自动驾驶仪系统(9)通过四电缆(8)与综合飞控计算机(7)交联；

油门伺服控制器(11)通过五电缆(10)与综合飞控计算机(7)交联，通过六电缆(12)与第一油门杆作动器(13)和第二油门杆作动器(14)交联，第一油门杆作动器(13)通过三钢索(17)与1发油门杆(21)连接，第一油门杆作动器(13)通过四钢索(18)与4发油门杆(24)连接，第二油门杆作动器(14)通过二钢索(16)与2发油门杆(22)连接，第二油门杆作动器(14)通过一钢索(15)与3发油门杆(23)连接；

1发油门杆(21)通过1发钢索(29)与1号发动机(25)连接，2发油门杆(22)通过2发钢索(30)与2号发动机(26)连接，3发油门杆(23)通过3发钢索(31)与3号发动机(27)连接，4发油门杆(24)通过4发钢索(32)与4号发动机(28)连接；

速断开关(19)通过七电缆(20)与综合飞控计算机(7)交联；

第一油门杆作动器滑轮(3)与一钢索(5)连接，第二油门杆作动器滑轮(4)与二钢索(6)连接，1、4发油门杆(14)与发动机油门杆钢索一(11)连接，2、3发油门杆(16)与发动机油门杆钢索二(12)连接，一钢索(5)通过螺纹套管一(7)和螺纹套管二(8)与发动机油门杆钢索一(11)连接，二钢索(6)通过螺纹套管三(9)和螺纹套管四(10)与发动机油门杆钢索二(12)连接；

速断开关(15)安装在1、4发油门杆(14)上。