Hệ thống điều khiển cánh lái liệng máy bay a320

Quá trình điều khiển diễn ra theo: tín hiệu điều khiển đợc chuyển thành tín hiệu điện rồi qua máy tính trung tâm tới cơ cấu chấp hành ở dạng tín hiệu điện đóng mở van điện từ để điều khi

Chơng 1 Giới Thiệu Tổng Quan Về Hệ Thống Điều

Khiển Trên A320

Máy bay A320 là loại máy bay dân dụng cỡ nhỏ, ứng dụng công nghệ

điểu khiển điện - điện tử tiên tiến Điều đó thể hiện qua tính năng kỹ thuật và hệthống điều khiển của A320 :

1.1 Tính năng kỹ thuật.

Chiều dài tàu bay : 37.57 m

Chiều cao tàu bay : 11.76 m

Đờng kính thân máy bay : 3.96 m

Trọng tải tối đa khi cất cánh : 73.5 tấn

Trọng tải thơng mại : 15 ữ 20 tấn

Số hành khách quy định : 150 hành khách

Số hành khách tối đa : 180 hành khách

Khả năng chứa nhiên liệu lớn nhất : 23860 lít tơng đơng 18,728 tấn

Vận tốc bay đờng dài : 750 ữ 800 km/h

Tầm bay xa từ 2000 ữ 4000 km

Hình: Các kích thớc chính của máy bay A320

1.2 Hệ thống điều khiển máy bay

1.2.1 Giới thiệu chung.

Là hệ thống điều khiển “ fly by wire ” Với hệ thống điều khiển dạng này, khảnăng ứng dụng công nghệ tin học-điện tử khai thác và sử dụng là rất cao Điều

đó làm cho máy bay giảm đợc một khối lợng kết cấu rất đáng kể về quá trình

điều khiển lại đơn giản an toàn, độ chính xác cao do có sự trợ giúp của máytính

Điều khiển bay trên máy bay A320 đợc thực hiện trong hai chế độ:

+Chế độ bán tự động: chế độ có sự trợ giúp của ngời phi công trong quá trình

điều khiển (flight control)

+Chế độ tự động lái (auto pilot) : tự động hoàn toàn, tất cả quá trình điều khiểnbay đều do máy tính điều khiển

Quá trình điều khiển diễn ra theo: tín hiệu điều khiển đợc chuyển thành tín hiệu

điện rồi qua máy tính trung tâm tới cơ cấu chấp hành ở dạng tín hiệu điện đóng

mở van điện từ để điều khiển cơ cấu chấp hành ( cơ cấu chấp hành ở đây là cácphần tử thuỷ lực) và hệ thống hiển thị ở A320 là các màn hình tinh thể lỏng

1.2.2 Nguyên tắc điều khiển.

Điều khiển bay là điều khiển dựa trên sự cân bằng và ổn định của máybay theo các trục toạ độ.

Việc điều khiển đợc thực hiện nhờ các mặt phẳng điều khiển thông ờng Các mặt phẳng đó bao gồm: cánh tà trớc, cánh tà sau, cánh lái liệng,cánh lái hớng, cánh lái độ cao cùng với các cánh và các tấm phá dòng phục

th-vụ cho quá trình điều khiển máy bay đợc rễ ràng

Điều khiển góc nghiêng cánh (góc liệng ) và góc chúc ngóc (roll andpitch control ) là loại điều khiển bằng điện, sử dụng hai máy tính số ELAC(elevator aileron computer) và SEC ( spoiler elevator computer) Mỗi máytính này đều có khả năng điều khiển máy bay theo hai trục ox và oy

Điều khiển góc lái hớng và thăng bằng ngang do hệ thống thủy cơ đảmnhiệm Đặc điểm của hệ thống này là chỉ dùng thuỷ lực và cơ khí, do đóngay cả khi mất điện hoàn toàn thì hệ thống này vẫn hoạt động đợc

Tuy nhiên trong điều kiện bình thờng, một vài chức năng của điều khiểncánh lái hớng nh cân băng khí động, giảm lắc ngang do máy tính tăng độ ổn

định bay FAC (Flight Augmentation Computer ) đảm nhận

Hình 2: Các Mặt phẳng điều khiển chính của máy bay A320

Các máy tính ELAC, SEC, các bộ tập trung giữ liệu điều khiển bay FCDC

( Flight Control Data Concentator ) và các đồng hồ đo gia tốc thẳng đứng tạothành hệ thống điều khiển bay bằng điện EFCS (Electrical Flight ControlSystem )

Hệ thống EFCS đợc xây dung dựa trên nguyên tắc:

+ Dự phòng d thừa và không đồng dạng

+ EFCS co 2 bộ ELAC, 3 bộ SEC, 2 bộ FCDC và 4 gia tốc kế Cácmáy tính ELAC, SEC đều có khả năng điều khiển góc nghiêng cánh và góctrúc ngóc của máy bay A320 Hai kiểu máy tính khác biệt nhau về cấu trúcbên trong, phần mềm và bộ vi xử lí

Giảm sát, việc giám sát mối máy tính ( ELAC và SEC ) đợc thực hiện nhsau :

+ Kênh giám sát: mối máy tính gồm hai kênh cách li về điện cũng

nh về vật lí Một kênh có chức năng điều khiển còn kênh kia thì có chứcnăng giám sát chức năng đó Kênh giám sát thờng xuyên so sánh kết quả cácmáy tính này và không cho phát tín hiệu chấp hành khi xảy ra sự sai lệchgiữa các kết quả đó

+ Khả năng tự giám sát: Mối kênh đều có khả năng phát hiện sự cố

từ các tín hiệu đột biến mà nó thu hay phát, cung nh phát hiện các h hỏngbên trong bằng cách kiểm tra bộ vi xử lí và giám sát mức điện áp các bộnguồn bên trong của nó

+ Kiểm tra chéo: Mỗi kênh điều khiển và giám sát hợp bộ với nóthờng xuyên trao đổi thông tin qua các thanh dẫn số, qua đó thống nhất vàkhẳng định thông tin nhận đợc từ các bộ truyền cảm thông tin khác nhau

+ Tự động kiểm tra độ an toàn khi bật nguồn điện và nguồn áp suất

đợc thực hiện không cần di chuyển các tấm điều khiển

Việc lắp đặt các tấm điều khiển phải tuân theo các quy tắc riêng của nó.Cách đi dây theo các chức năng, kiểu tín hiệu cho mỗi đờng và đảm bảochống sét đánh cho các dây nổi ra ngoài.

1.2.3 Điều khiển bánh lái liệng (Aileron).

Điều khiển nghiêng cánh của máy bay đợc thực hiện bởi cánh lái liệng ở

đầu cánh và đợc trợ giúp bởi 4 tấm phá dòng hay còn gọi là tấm bù khí động.Các bánh lái liệng đợc điều khiển bằng tay từ cần điều khiển bên (side stickcontroller ) hoặc tự động bởi bộ tự động lái (auto pilot ) hay chức năng giảmtải lực khí động (load elleviation function ) Mối cánh lái liệng đợc truyền

động bởi hai bộ điều khiển secvo nhận tín hiệu từ hai máy tính điều khiểncánh lái liệng và cánh lái độ cao (ELAC) sử dụng các hệ thống thuỷ lực khácnhau Các secvor khác với các cơ cấu chấp hành khác là thờng có các cảmbiến vị trí cho phép có thể dngf xylanh ở vị trí bất kỳ nào

Trong chế độ bay bình thờng thì chức năng nghiêng cánh của bánh láiliệng do ELAC1 và điều khiển secvor liên quan đảm nhận, còn ELAC2 thì ởchế độ dự phòng, trong khi secvor của nó làm việc trong chế độ giảm chấn(damping mode ) Chức năng giảm lực tải của cánh lái liệng đợc thực hiệnbởi cả hai ELAC cùng với các secvor Khi xảy ra sự cố các bánh lái liệng đợc

tự động chuyển sang điều khiển bởi ELAC2 ( chức năng nghiêng cánh, giảmlực tải ), điều khiển secvor hợp bộ với nó cũng chuyển sang chế độ hoạt

động, các secvor khác thì lại chuyển sang làm việc ở chế độ giảm chấn (dao

động) Nếu có sự cố liên tiếp các secvor của một cánh lái liệng không điềukhiển đợc thì chúng chuyển sang chế độ giảm chấn Chế độ này cũng đợc tự

động kích hoạt khi xảy ra mất áp trong hệ thống tuỷ lực

Hai cần điều khiển bên (side stick controller ) đợc đặt trong khoang lái.Chúng có cảm biến giá trị góc liệng và góc trúc ngóc cùng với cơ cấu tảo giả(hay cảm giác tay lái – feel mechanism) và có chốt hãm dùng cuộn lõi động(solenoid operate detend ) để đa cần về vị trí trung gian khi tự động lái đợckích hoạt

Nguån thuû lùc:

H×nh: C¸c nguån thñy lùc chÝnh cña m¸y bay A320

Các hệ thống điều khiển bay đợc cung cấp bởi 3 nguồn thuỷ lực độc lập, với sự

dự phòng d thừa sao cho với hai hệ thống thuỷ lực bị hỏng, hệ thống còn lại vẫncho phép máy bay hoạt động trong khoảng thời gian cho phép của giới hạnthông số bay

+ Việc phân phối và kiểm tra sự hoạt động của hệ thống thuỷ lực đợc thực hiệnbởi các van:

* Các van u tiên:các van u tiện đợc lắp đặt ở đầu vào của các bộ phận sau đâycho phép chúng kích hoạt trớc:

- Hệ thống Blue: motor của bộ điều khiển nguồn CPU cánh tà sau

- Hệ thống Green: Các motor của bộ điều khiển nguồn cánh tà trớc và cánh tàsau

- Hệ thống Yellow: motor của bộ điều khiển nguồn cánh tà sau

- Để áp suất cung cấp cho bộ phận điều chỉnh bay không bị sụt quá 130 bar(1885 psi) khi nhiều hệ thống thuỷ lực khác nhau đợc sử dụng đồng thời

* Van đo dòng rò:

Các khối van cách li khi bảo dỡng mặt đất đợc lắp đặt trong các đờng nguồnthuỷ lực của hệ thống điều khiển bay cho phép đo đợc các dòng rò bên trongcác bộ phận điều khiển đặt sau ( phía hạ lu ) Các van nay cũng nh thực hiện cáckiểm tra phát hiện kẹt van

d thừa và theo dõi giám sát đã nâng cao hơn độ an toàn tin cậy và chính xáctrong quá trình điều khiển đối với A320 Đó cũng chính là các đặc điểm nổi bậtcủa máy bay A320 so với các loại máy bay khác và thực tế quá trình khai thácbảo dỡng cũng đã chững minh đợc điều đó là đúng

Chơng 2

Lý thuyết điều khiển và hệ thống điều khiển cánh lái liệng

máy bay A320.

Để hiểu đợc lý thuyết điều khiển máy bay ta cần biết

Riêng đối với máy bay ta sẽ phải xác định đợc vị trí cân bằng của nó

Trục dọc OX là trục xuyên suốt dọc thân và hớng về phía mũi máy bay.Trục OY là trục thẳng đứng vuông góc với trục OX và nằm trong mặt

phẳng đối xứng của máy bay

Trục OZ nằm trong mặt phẳng vuông góc với OX và OY

Các momen làm cho máy bay quay xung quanh trục OX gọi là momen lựcvòng

Các momen làm cho máy bay quay xung quanh trục OY là momen hớng

Các momen làm cho máy bay quay xung quanh trục OZ là momen lắc dọc

Thực tế tất cả các máy bay đều cân bằng bền vững,nếu máy bay bền vững ở chế

điều khiển máy bay đợc dễ dàng thì các thiết bị lái phải đợc thiết kế sao cho

ng-ời lái cảm nhận đợc tác động của hành động điều khiển Nếu nh máy bay quánhạy cảm thì sự điều khiển máy bay sẽ trở nên khó khăn

2.2.2 Cân bằng ngang, bền vững điều khiển.

2.2.2.2 Bền vững.

Sự cân bằng ngang bị phá vỡ khi có sự dịch chuyển của cánh lái liệng khi códòng khí thổi ở một bên cánh Sự ảnh hởng lớn nhất đối với cân bằng ngang th-ờng phát sinh do hai lực đẩy của hai động cơ không đều nhau

2.2.2.3 Điều khiển.

Để khắc phục sự mất cân bằng ngang trên máy bay ở hai đầu cánh có hai cánhlái liệng, cánh lái liệng trái và phải đợc dịch chuyển đồng thời cùng góc độ nhngtheo hai hớng khác nhau Sự ổn định ngang của máy bay là khả năng tự triệt tiêunhững phát sinh làm cho máy bay nghiêng sau những tác động bên ngoài

2.3 Hệ thống điều khiển.

2.3.1 Giới thiệu chung về nguyên lý điều khiển.

Mô hình cơ học của máy bay đợc thể hiện dới dạng một vật bay có điều khiểnvới sáu bậc tự do, sáu bậc tự do này đợc xác định bởi các lực và momen đặc trngcho sự tác động cơ, cánh tà, cánh liệng, cánh lái độ cao

Sự chuyển động của máy bay đợc thể hiện bởi sự di chuyển của nó trong khônggian và theo thời gian so với vật chuẩn gọi là hệ toạ độ Vị trí của máy bay sovới hệ toạ độ này với các tham số động lực học

Để thực hiện đợc quá trình điều khiển trớc tiên phải xác định đợc các lực vàmomen tác động lên máy bay Hay nói cách khác là xác định đợc các tín hiệu

đầu vào của hệ thống điều khiển

Dựa vào các quy luật bảo toàn động lợng ta có thể xác định đợc các lực vàmomen này

= F i dt

dQ và =∑( F r )

dt dF

Hệ toạ độ gắn với máy bay còn gọi là hệ toạ độ gắn liền (hình b)

Đây là hệ toạ độ hay đợc sử dụng nhất, hệ toạ độ này có gốc O dặt ở trọng tâmmáy bay và có: Trục OX hớng theo dây cung cánh (dây cung khí động trung

bình ) Từ đuôi lên mũi máy bay và nằm trên mặt phẳng đối xứng của nó Trục

OZ vuông góc với mặt phẳng đối xứng, hớng sang bên phải Trục OY hớngvuông góc lên trên ( nằm trong mặt phẳng đối xứng)

Ngoài hai hệ cơ bản trên ta còn dùng các hệ sau:Hệ toạ độ vận tốc OXaYaZa Hệnày có gốc toạ độ ở trọng tâm máy bay, trục OXa trùng với vector vận tốc máybay (vector vận tốc của gốc toạ độ o của hệ gắn liền so với môi trờng không khíxung quanh không bị nhiễu loạn bởi máy bay ) Trục của lực nâng OYa nằmtrong mặt phẳng đối xứng vuông góc nên trên Trục ngang OZa hớng sang phải

Hệ toạ độ quỹ đạo OXkYkZk Gốc toạ độ đặt tại trọng tâm máy bay, trục OXk

trùng với vector ω (vận tốc góc của gốc O của hệ gắn liền so với hệ tọa độ mặt

đất trực chuẩn ) Còn các trục OYk hớng lên trên các trục của hệ toạ độ OXYZ

ta sẽ nhận đợc các hệ phơng trình vi phân xác định chuyển động của máy bay từphơng trình động lợng nh sau:

x y y z y

F V V

dt

dV

m.( + ω − ω ) = (2)

z z y y x

dt

y x z x z y

M K K

ωy = ψcosθcosγ + θsinγ

ωz = θcosγ - ψcosθsinγ

Với γ, ψ, θ là các góc liệng, đổi hớng và trúc ngóc của máy bay Nh vậy bằngcách thay thế các giá trị vận tốc góc ωx, ωy, ωz, nh là các hàm của các góc γ, ψ,

θ ta có thể biến đổi hệ phơng trình vi phân mới với các biến là vector không tốc

V, các góc γ, ψ, θ Vế phải của phơng trình này sẽ là các lực, momen tác độngvào máy bay chiếu trên ba trục

2.3.2.Nguyên lý chung và phân loại.

Mục đích của điều khiển

Do đặc điểm hoạt động của tong hệ thống điều khiển ta có các định nghĩa sau:

Điều khiển không tự động là đối tợng điều khiển đợc tác động trực tiếp của conngời để đạt đợc mục đích của ngời điều khiển

Điều khiển tự động là quá trình không cần sự tham gia trực tiếp của con ngời màvẫn đạt đợc mục đích

Điều khiển bán tự động là quá trình điều khiển mà con ngời thông qua một

ph-ơng tiện khác để tác động vào đối tợng điều khiển nhằm đạt đợc mục đích củamình

Trong kỹ thuật hàng không đối tợng điều khiển là máy bay

b Các thiết bị tự động trong kỹ thuật hàng không.

Tự động điều khiển động cơ:

- Tự động thay đổi số vòng quay

- Tự động điều khiển hỗn hợp khí và nhiên liệu

- Tự động điều chỉnh áp lực và nhiệt độ khí của động cơ

Chế tạo các thiết bị tự động để giảm bớt khó khăn cho ngời lái, tăng độ an toàncho các chuyến bay.

c Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển.

Trong quá trình phát triển của Khoa Học Kỹ thuật các loại máy bay ngày càng

đợc trang bị các thiết bị hiện đại hơn, nhất là hệ thống điều khiển Nhng dù cócải tiến đến đâu và hệ thống có hiện đại nh thế nào thì sơ đồ khối của hệ thốngvẫn đợc mô tả nh sau:

+ Mục đích điều khiển với máy bay là điều khiển góc bánh lái

Trong quá trình điều khiển do có nhân tố bân ngoài tác động vào và sai số củacác khâu thành phần nên tín hiệu đầu ra thực tế không phải là y(t) mà là y1(t)dẫn tới tồn tại sai số quá trình điều khiển là ∆y(t)

∆y(t) = y(t) – y1(t)

Sai số này đợc đa qua bộ biến đổi ∆x(t) sau đó đa qua mạch phản hồi để hiệuchỉnh lại tín hiệu đầu vào làm cho quá trình ổn định cuả hệ thống nhanh hơn vàthời gian quá độ ngắn nhất

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bằng cơ khí:

* Ưu điểm:

+ Cấu tạo và thành phần đơn giản nên vận hành dễ dàng

+ Hệ thống an toàn tơng đối cao

* Nhợc điểm:

+ Hệ thống điều khiển cồng kềnh có khối lợng lớn

+ Thời gian trong quá trình điều khiển dài

+ Hệ thống thanh truyền và dây cáp bố trí dọc thân máy bay nên khôngthuận tiện cho việc bảo dỡng và sửa chữa trong quá trình khai thác

+Lực tác động vào đối tợng là nhỏ nên chỉ thích hợp cho máy bay vừa

và nhỏ

b Hệ thống điều khiển cơ điện.

Tín hiệu cơ của tín hiệu đầu vào chuyển thành tín hiệu điện, tín hiệu điện này

đ-ợc khuyếch đại và đa tới động cơ điện Momen quay của động cơ điện quay cơcấu cơ khí biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động của cánh lái

để điều khiển máy bay

+ Có mặt các phần tử điện làm cho cơ cấu phức tạp hơn

+ Độ chính xác trong quá trình điều khiển phụ thuộc rất nhiều vào kinhnghiệm điều khiển của phi công

c Hệ thống điều khiển bằng thuỷ cơ.

Trong hệ thống này tín hiệu vào là tín hiệu cơ sau đó đợc khuyếch đại tín hiệu

để điều khiển van phân phối cho áp lực dầu vào hệ thống tạo lực xylanh –piston điều khiển cánh lái Đây là hệ thống hở do đó quá trình còn phụ thuộcnhiều vào phi công Nhng lực tác động vào cánh lái lớn

Còn nếu hệ thống kín thì piston làm cánh lái quay, tín hiệu quay của cánh lái

đ-ợc quan sát bằng sensor hành trình và biến đổi thành tín hiệu cơ và đđ-ợc đa vào

để hiệu chỉnh đầu vào làm cho thời gian quá độ của hệ thống là ngắn nhất

+ Các phần tử đòi hỏi độ chính xác cao

d Hệ thống điều khiển bằng cơ thuỷ điện.

Đây là hệ thống đang đợc dùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp

đặc biệt là trong hàng không

Trong các hệ thống này tín hiệu vào là tín hiệu cơ ( dới dạng góc quay) sau đó

đa qua bộ biến đổi thành tín hiệu điện, rồi đến bộ khuyếch đại trớc khi điềukhiển van phân phối để đa lu lợng đến xylanh – piston

Trong hệ thống này tín hiệu hành trình là tín hiệu điện và đợc đa về để điềuchỉnh tín hiệu đầu vào để tăng tính ổn định cho hệ thống

Các phần tử của hệ thống:

+ Bộ biến đổi tín hiệu cơ thành tin hiệu điện

+ Bộ khuyếch đại tín hiệu điện

+ hệ thống cần đợc kiểm tra thờng xuyên…

e Hệ thống điều khiển theo chơng trình ( máy tính kết hợp với thuỷ lực ).

Ngày nay với sự phát triển rất nhanh của Khoa Học Kỹ thuật nhất là sự pháttriển của tin học, nó đợc ứng dụng rộng rãi vào các ngành trong mọi lĩnh vựctrong đó có ngành hàng không Trên các loạ máy bay hiện đại ngày nay hầu hết

sử dụng máy tính đẻ điều khiển quá trình bay bằng các chơng trình điều khiểnthông qua PLC để gửi tới cơ cấu chấp hành.

Đối với hệ thống này tín hiệu vào từ bộ phận dẫn đờng máy bay hoặc tín hiệu

điều khiển của phi công Dới dạng tín hiệu điện, nó đợc đa đến máy tính, máytính làm nhiệm vụ phân tích tín hiệu điều khiển và đa ra tín hiệu điện điều khiểnvan servo làm cho động cơ thuỷ lực hoạt động tác động vào bánh lái Tín hiệuphản hồi là hành trình của piston – xylanh đợc biến đổi thành tín hiệu điện rồi

đa vào máy tính, dựa vào đó máy tính sử lý và đa ra tín hiệu hợp lý để điềukhiển van servo

Sơ đồ khối của hệ thống thuỷ lực đợc biểu diễn:

2.3.3 Hệ Thống điều khiển của máy bay A320.

Việc điều khiển thực hiện nhờ các mặt phẳng điều khiển Điều khiển gócnghiêng cánh ( Góc liệng), và góc chúc ngóc là loạ điều khiển bằng điện, sửdụng hai máy tính số ELAC ( Elevaton Aileron Computer ) và SEC ( SpoilerElevater Computer ) Mỗi máy tính đều có khả năng điều khiển máy bay theohai trục ox và oy Việc điều khiển góc đổi hớng và thăng bằng ngang do hệthống thuỷ – cơ - điện đảm nhiệm, do đó vẫn có thể điều khiển máy bay khimất hoàn toàn nguồn điện Trong điều kiện bình thờng, một số chức năng của

điều khiển bánh lái hớng nh cân bằng khí động, giảm lắc ngang do máy tínhtăng độ ổn định bay FAC (Flight augmentation computer) đảm nhiệm

2.3.3.1 Các mặt phẳng điều khiển (đã giới thiệu trong chơng 1)

a Cánh lái liệng

b Cánh lái hớng

c Cánh lái độ cao