FR2876468A1 - Systeme de pilotage automatique d'un helicoptere - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système de pilotage automatique d'un aéronef à voilure tournante selon au moins deux axes de pilotage, qui comporte, pour chacun des deux axes, au moins une loi d'asservissement fournissant un ordre de commande initial, les deux lois ayant un objectif commun ; le système comporte des moyens (36) de combinaison pour former une série d'ordres de commande par combinaison des deux ordres de commande initiaux (UCV, UTV).
Description
Système de pilotage automatique d'un hélicoptère
La présente invention est relative â un système de pilotage automatique d'un aéronef â voilure tournante, en particulier d'un hélicoptère.
Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de systèmes de pilotage automatique d'hélicoptères.
Le pilotage d'un aéronef â voilure tournante s'effectue généralement par réglage du pas cyclique et du pas collectif d'au moins un rotor principal de sustentation et d'avance et par réglage de paramètres de fonctionnement (pas collectif en particulier) d'un rotor de queue.
Plus généralement, le pilotage s'effectue selon des axes de pilotage: axe de roulis, axe de tangage, axe de lacet, et axe collectif correspondant au réglage du pas collectif des pales du rotor principal.
Ces réglages sont opérés par des actionneurs commandés par un calculateur; les ordres de commande des actionneurs délivrés par le calculateur du pilote automatique (ci-après désigné par PA ) sont élaborés â partir de valeurs de consignes choisies par le pilote en fonction de la phase de vol â réaliser, et en fonction de valeurs de paramètres d'état de l'aéronef tels que son altitude ou sa vitesse par rapport â l'air ambiant qui sont délivrées par des capteurs embarqués.
A cet effet, le calculateur est programmé selon des lois d'asservissement permettant d'asservir les paramètres d'états de l'aéronef en fonction des consignes choisies par le pilote de l'aéronef.
Le PA peut comporter une ou plusieurs loi(s) â objectif pour un axe de pilotage donné.
En particulier, le PA peut comporter, pour le pilotage selon l'axe de tangage, une première loi â objectif vertical ayant pour but qu'un paramètre d'état de l'hélicoptère atteigne et se maintienne â une valeur de consigne de 2876468 2 ce paramètre; cette loi détermine une ordre de commande du basculement du rotor principal; le PA décrit dans les brevets FR 2 830 631 et US 6 691 950, comporte en outre, pour l'axe de tangage, une seconde loi à objectif de limitation de la vitesse air par rapport à deux valeurs limites (vitesse air maximale et vitesse air minimale autorisées) ; pour basculer d'une loi à une autre en fonction de la vitesse air effective de l'hélicoptère, le PA comporte un ensemble de comparateurs et sélecteurs; ce dispositif permet de gérer automatiquement la commande longitudinale ou de tangage du rotor principal.
Pour le pilotage de l'axe collectif, le PA décrit dans ce document comporte en outre une loi à objectif vertical et une loi de maintien de la puissance à la valeur maximale autorisée ainsi qu'un sélecteur pour sélectionner cette loi lorsque la vitesse air atteint la valeur maximale compatible avec la tenue de l'objectif vertical et avec la puissance maximale autorisée.
Le PA décrit dans les demandes de brevet FR 2 830 630 et US 2003 066927 comporte deux lois à objectif pour l'axe de tangage et deux lois à objectif pour l'axe collectif; des premiers moyens de sélection sélectionnent une loi à objectif vertical pour l'axe collectif lors d'un fonctionnement normal de l'hélicoptère, et basculent - pour cet axe - sur une loi de maintien de puissance lorsque la puissance devient insuffisante pour maintenir une vitesse air de consigne; des seconds moyens de sélection sélectionnent une loi à objectif (ou consigne) d'avancement pour l'axe de tangage lorsque la loi à objectif vertical est sélectionnée pour l'axe collectif, et basculent - pour l'axe de tangage - vers une loi à objectif vertical lorsque les premiers moyens de sélection sélectionnent la loi de maintien de puissance.
Dans les systèmes de pilotage automatique d'aéronef à voilure tournante qui prévoient un basculement d'une première loi à une seconde loi pour la commande d'un axe, ce basculement peut être à l'origine de sauts, battements ou oscillations gênants.
Un objectif de l'invention est de remédier â cet inconvénient.
Un objectif de l'invention est de proposer un système de pilotage automatique d'un aéronef â voilure tournante qui soit amélioré et/ou qui remédie, en partie au moins, aux inconvénients des systèmes connus de pilotage automatique de ces aéronefs.
L'invention s'applique â un système de pilotage automatique d'un aéronef â voilure tournante selon au moins deux axes de pilotage, qui comporte, pour chacun des deux axes, au moins une loi d'asservissement fournissant un ordre de commande initial, les deux lois ayant un objectif commun; le système de pilotage automatique selon l'invention comporte des moyens de combinaison pour former une série (sensiblement continue et infinie) d'ordres de commande par combinaison des deux ordres de commande initiaux.
Selon des caractéristiques préférentielles de l'invention: 15 - ladite combinaison est (sensiblement) linéaire; - pour le pilotage d'un axe de tangage et d'un axe collectif, les deux lois fournissant les deux ordres de commande initiaux sont une loi â objectif vertical pour chacun de ces axes; - le PA comporte en outre des moyens de sélection et le cas échéant de correction pour délivrer deux ordres de commande finaux parmi ladite série d'ordres de commande obtenus par combinaison des ordres de commande initiaux, et le cas échéant pour le(s) corriger; - les moyens de sélection peuvent comporter une loi de maintien d'une puissance absorbée pour l'entraînement du rotor, sous une 25 valeur de consigne; - la loi de maintien de puissance est prioritaire sur d'autres lois via des moyens de sélection et/ou de correction des ordres de commande de tangage et de pas collectif; 2876468 4 - les moyens de sélection peuvent comporter une loi de maintien d'une vitesse air de l'aéronef â une valeur de consigne; - les moyens de sélection peuvent comporter une loi de maintien d'une vitesse air de l'aéronef au-dessus d'une valeur prédéterminée correspondant â la vitesse optimale pour la montée; - les moyens de correction peuvent comporter un module de limitation de l'ordre de commande de pas collectif en fonction d'un ordre de maintien de puissance; - le système comporte un module de calcul d'un ordre de tangage intermédiaire en fonction d'un ordre de maintien de puissance; - le système comporte un module de comparaison de l'ordre intermédiaire, d'un ordre de tangage â objectif d'avancement et d'un ordre de tangage â objectif de vitesse air optimale pour la montée, et de choix de l'ordre final en tangage parmi ces trois ordres; - le système comporte un module de calcul d'un ordre de pas collectif intermédiaire en fonction d'un ordre de tangage.
L'invention permet d'obtenir deux ordres de commande respective de deux axes par combinaison de deux ordres de commande initiaux respectivement élaborés par deux lois distinctes d'asservissement â objectif commun, en particulier deux lois â objectif vertical; cet objectif vertical peut être une altitude â atteindre et maintenir, par exemple.
L'invention permet la suppression de la sélection entre les deux ordres de commande initiaux, et permet de supprimer les instabilités résultant de basculements d'une loi â une autre.
L'invention permet un pilotage plus efficace et plus robuste .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante, qui se réfère aux dessins annexés et qui 2876468 5 illustre, sans aucun caractère limitatif, des modes préférés de réalisation de l'invention.
La figure 1 est un schéma synoptique d'un système de pilotage automatique d'un hélicoptère.
La figure 2 est un schéma synoptique d'un calculateur de pilotage automatique d'un système selon l'invention, pour le pilotage d'un axe de tangage et d'un axe collectif à partir de cinq lois d'asservissement.
Les figures 3 à 5 sont des graphes explicitant des détails de mise en oeuvre des lois d'asservissement dans le calculateur correspondant à la figure 2.
Par référence à la figure 1, le système 11 de pilotage automatique de l'hélicoptère 10 comporte des actionneurs 14 commandés par un calculateur 16 en fonction de signaux délivrés par des capteurs 12 et de consignes introduites, par un pilote de l'hélicoptère, par l'intermédiaire d'organes 13 d'introduction de données dans le calculateur.
A cet effet, des moyens de liaison 17 à 19 relient respectivement les capteurs 12 au calculateur, les organes 13 au calculateur, et le calculateur aux actionneurs 14.
Une liaison 15 reliant les actionneurs à l'hélicoptère, illustre symboliquement le fait que les actionneurs agissent sur des organes de l'hélicoptère, en particulier sur les organes de réglage du pas cyclique et du pas collectif du rotor principal 21 ainsi que sur le pas collectif du rotor de queue 20.
Par référence à la figure 2, le calculateur 16 comporte cinq modules d'asservissement 31 à 35; chaque module délivre un ordre de commande en fonction d'une loi d'asservissement qui lui est propre, et en fonction de signaux et/ou données reçus des capteurs 12 et d'organes 13 de réglage de consigne.
2876468 6 Pour le pilotage de l'axe collectif, le calculateur 16 délivre un signal de commande UCOLL à un actionneur 14; pour le pilotage de l'axe de tangage, le calculateur 16 délivre un signal de commande UTANG à un asservissement qui maintient l'assiette de tangage au travers d'un autre actionneur 14.
Le dispositif de pilotage automatique selon l'invention, qui est intégré au calculateur 16, élabore les ordres UCOLL et UTANG à partir des modules 31 à 35 d'asservissement, comme décrit ci-après par référence aux figures 2 à 5.
Sur les figures 3 à 5, l'axe des abscisses représente une variation de la consigne d'assiette de tangage, et l'axe des ordonnées représente une variation du pas collectif du rotor principal.
La loi d'asservissement du module 31 est une loi de commande de variation du pas collectif à objectif vertical; cet objectif peut être une altitude à atteindre et maintenir, une vitesse ascensionnelle, ou une accélération verticale, par exemple.
Le module 31 fournit un ordre de commande initial UCV correspondant au point P31 de l'axe des ordonnées sur les figures 3 à 5.
La loi d'asservissement du module 32 est une loi de commande de l'axe de tangage à objectif également vertical. Le module 32 fournit un ordre de commande initial UTV correspondant au point P32 de l'axe des abscisses des figures 3 à 5.
Les ordres de commande initiaux UCV et UTV sont appliqués à l'entrée d'un module 36 de combinaison; ce module fournit en sortie quatre coefficients, notés a, b, c, d, correspondant à deux écritures de l'équation de la droite DCOMB (illustrée figures 3 à 5) passant par les points P31 et P32, à savoir: a * UTV + b = UCV d'une part, et c * UCV + d = UTV d'autre part.
Ainsi, l'abscisse et l'ordonnée d'un point de la droite DCOMB correspondent chacune à une combinaison linéaire des ordres de commande initiaux UCV et UTV.
Conformément à un aspect de l'invention, parmi toutes les combinaisons linéaires possibles correspondant aux différents points de la droite DCOMB, on choisit, lorsque cela est possible, celui respectant des contraintes supplémentaires en termes de puissance absorbée par le rotor et de vitesse de l'hélicoptère, grâce à des moyens de sélection et de correction 41 intégrés au calculateur.
La loi d'asservissement du module 34 est une loi de commande de l'axe collectif qui limite la puissance absorbée par le rotor principal à une valeur prédéterminée.
Le module 34 fournit un ordre de commande UCP qui correspond à la droite D34 des figures 3 à 5; cette droite parallèle à l'axe des abscisses correspond à un accroissement de pas collectif maximal correspondant à la puissance absorbée à ne pas dépasser.
La loi d'asservissement du module 33 est une loi de commande de l'axe de tangage de l'hélicoptère à objectif longitudinal; cet objectif peut notamment correspondre à une consigne de vitesse horizontale de l'hélicoptère par rapport à l'air; le module 33 fournit un ordre de commande en tangage UTL qui correspond à la droite D33 des figures 3 à 5; cette droite est parallèle à l'axe des ordonnées et coupe l'axe des abscisses en un point correspondant à la valeur de l'ordre UTL de commande de tangage minimal pour assurer la vitesse horizontale considérée.
La loi d'asservissement du module 35 est une loi de commande de l'axe de tangage pour limiter la vitesse air de l'hélicoptère à une valeur correspondant à la vitesse optimale pour la montée. Le module 35 fournit 2876468 8 un ordre de commande en tangage UTY qui correspond â la droite D35 des figures 3 â 5; cette droite est parallèle â l'axe des ordonnées et coupe l'axe des abscisses en un point correspondant â une valeur de l'ordre de commande en tangage pour assurer la consigne de vitesse air optimale pour la montée.
Par référence â la figure 2, les moyens 41 de sélection et correction comportent un module 37 de calcul d'un ordre intermédiaire UTMIN de commande en tangage, â partir de l'ordre UCP délivré par le module 34 et des coefficients c et d calculés par le module 36 comme décrit précédemment.
Le module 37 effectue le calcul: UTMIN = c * UCP + d, ce qui correspond, sur les figures 3 â 5, â l'abscisse du point P d'intersection de la droite DCOMB avec la droite D34.
Les ordres UTMIN et UTL sont appliqués â l'entrée d'un opérateur MAX d'un module 38 de sélection; cet opérateur délivre en sortie la valeur maximale UTIMAX présente sur ses entrées.
Ceci se traduit sur les figures 3 et 4, en un choix entre le point P d'intersection des droites DCOMB et D34 et le point PCOMB1 d'intersection des droites DCOMB et D33, en retenant le point de plus grande abscisse, soit le point PCOMB1 dans la configuration illustrée figure 3, et le point P dans la configuration illustrée figure 4.
L'ordre de commande en tangage intermédiaire UTIMAX ainsi déterminé est â son tour appliqué, ainsi que l'ordre UTY délivré par le module 35, aux entrées d'un opérateur MIN du module 38; cet opérateur délivre en sortie la valeur minimale UTANG présente sur ses entrées; cet ordre de commande en tangage UTANG est finalement adressé â l'asservissement d'assiette qui pilote les actionneurs 14 concernés.
2876468 9 Ainsi, lorsque, comme dans la configuration illustrée figure 5, l'ordre UTY est inférieur à l'ordre intermédiaire UTIMAX, le module MIN du sélecteur 38 sélectionne en sortie la valeur UTANG = UTY.
En outre, dans cette configuration, on ne choisit pas le point PCOMB2 d'intersection des droites DCOMB et D35, mais un point P' d'intersection des droites D34 et D35 correspondant à l'ordre de commande en tangage UTY et à l'ordre de commande de pas collectif correspondant à la puissance maximale (représentée par D34).
Dans ce cas, l'objectif vertical (correspondant aux points de la droite 10 DCOMB) ne peut pas être atteint et maintenu.
Ces dernières sélections et corrections sont effectuées par les modules 39 et 40 du calculateur: - le module 39 calcule un ordre intermédiaire UICOLL de commande de collectif par la formule: UICOLL = a UTANG + b, en fonction des coefficients a et b délivrés par le module 36 et de la commande UTANG en sortie du module 38; l'ordre intermédiaire UICOLL correspond à l'ordonnée du point PCOMB2 d'intersection des droites DCOMB et D35; - le module MIN 40 compare les valeurs des ordres UICOLL et UCP, et délivre en sortie la valeur minimale présente sur ses entrées; l'ordre UCOLL délivré en sortie par l'opérateur 40 est appliqué à l'actionneur de réglage du pas collectif du rotor principal.
Claims (12)
1. Système (11) de pilotage automatique d'un aéronef â voilure tournante selon au moins deux axes de pilotage, qui comporte, pour chacun des deux axes, au moins un module â loi (31, 32) d'asservissement fournissant un ordre de commande initial (UCV, UTV), les deux lois ayant un objectif commun, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (36) de combinaison pour former une série d'ordres de commande par combinaison des deux ordres de commande initiaux (UCV, UTV).
2. Système selon la revendication 1, dans lequel la combinaison est 10 une combinaison sensiblement linéaire, et dans lequel la série d'ordres de commande possibles est sensiblement infinie et/ou continue.
3. Système selon la revendication 1 ou 2 pour le pilotage d'un axe de tangage et d'un axe collectif, qui comporte une loi (31, 32) â objectif vertical pour chacun de ces axes.
4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 â 3, qui comporte en outre des moyens (41) de sélection et de correction pour sélectionner deux ordres de commande parmi ladite série d'ordres de commande obtenus par combinaison des ordres de commande initiaux, et le cas échéant pour corriger les ordres sélectionnés.
5. Système selon la revendication 4, dans lequel les moyens de sélection comportent une loi (34) de maintien d'une puissance absorbée pour l'entraînement du rotor sous une valeur de consigne.
6. Système selon la revendication 5, dans lequel la loi (34) de maintien de puissance est prioritaire sur d'autres lois (31, 32, 33, 35) du 25 PA.
7. Système selon l'une quelconque des revendications 4 â 6, dans lequel les moyens de sélection comportent une loi (33) de maintien d'une vitesse d'avance de l'aéronef au-dessus d'une valeur de consigne.
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8. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel les moyens de sélection comportent une loi (35) de maintien d'une vitesse air de l'aéronef au-dessus d'une valeur prédéterminée correspondant à la vitesse optimale pour la montée.
9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les moyens de correction comportent un module (40) de limitation de l'ordre (UCOLL) de commande de pas collectif en fonction d'un ordre (UCP) de maintien de puissance.
10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, qui 10 comporte un module (37) de calcul d'un ordre de tangage intermédiaire (UTMIN) en fonction d'un ordre (UCP) de maintien de puissance.
11.Système selon la revendication 10, qui comporte un module (38) de comparaison de l'ordre intermédiaire (UTMIN), d'un ordre de tangage à objectif d'avancement (UTL) et d'un ordre de tangage à objectif de vitesse air verticale (UTY), et de choix de l'ordre final (UTANG) en tangage parmi ces trois ordres.
12. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, qui comporte un module (39) de calcul d'un ordre de pas collectif intermédiaire (UICOLL) en fonction d'un ordre de tangage (UTANG).
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