Как истребители прекращают тангаж после отклонения руля высоты?

Это зависит от того, какой уровень реализма вы хотите.

Если вам нужен высокий уровень, сэкономьте себе много работы, используя существующую динамическую модель, такую ​​как JSBSim . Для него есть шаблоны моделей, в которых есть все необходимые функции для достаточно реалистичной модели, и вы просто настраиваете коэффициенты, чтобы получить желаемую производительность.

Если вы хотите низкий уровень, просто сделайте отклонение поверхности соответствующим скорости тангажа/крена , а не ускорению , потому что это то, что на самом деле происходит с уровнем приближения, который идеально подходит для аркадного игрока.

Что на самом деле происходит, так это то, что когда вы отклоняете поверхность управления, вращение изменит угол, под которым воздух сталкивается с поверхностью, и это сведет на нет влияние поверхности управления, поэтому самолет оседает с фиксированной скоростью тангажа/крена, соответствующей командное смещение. И когда пилот снова центрирует поверхность, все еще существует аэродинамическая сила, противодействующая отклонению, которая теперь снова остановит вращение.

Это достаточно быстро, поэтому пилотам обычно не нужно останавливать вращение встречным движением органов управления, за исключением иногда быстрых кренов в фигурах высшего пилотажа.

Что касается ПИД-регулятора, регулятора «интегрально-дифференциальный по положению», суть в том, что производная составляющая предсказывает задержку отклика, в то время как интегральная составляющая компенсирует любое смещение. Недостатком является то, что если вы настроите его на быстрый отклик, он всегда выйдет за пределы целевого значения, потому что интегральный член будет переоценивать смещение. Но это просто реализовать и не требует большого моделирования, просто настраивайте числа, пока не заработает. JSBSim предоставляет ПИД-регулятор (и некоторые другие более простые контроллеры) для определения модели.

Здесь важны (или должны быть) две основные вещи: демпфирование и естественная стабильность высоты тона .

Во-первых, стабильность . Большинство самолетов (но не все истребители) имеют естественную тенденцию возвращаться на определенный (называемый триммерным ) угол атаки. Я не буду здесь объяснять , как это происходит аэродинамически, но суть в том, что когда самолет поднимается вверх, возникает момент, который бросает его вниз (как пружина). Это относится к любому возмущению, будь то порыв ветра или отклонение руля высоты. Таким образом, вытягивание (и удержание) руля высоты не приведет к постоянному вращению (в отличие, скажем, от реакции изолированного крена на элероны). Вместо этого самолет остановится на большем угле атаки (AoA). (Это, конечно, увеличит подъемную силу и самолет уйдет с прежней траектории, но это уже другой вопрос).

Как правило, вы моделируете эту «пружину» с помощью специальной функции$C_m(\alpha)$(коэффициент тангажного момента как функция угла атаки (или коэффициента подъемной силы)). Для стабильного самолета она линейна и отрицательна в рабочем диапазоне угла атаки. Что просто означает: больше угол атаки -> пропорционально больше момент понижения тангажа. Это одна из самых важных функций во всей симуляции полета.

Отклонение руля высоты (скажем, вверх) добавит момент тангажа вверх. Это нарушит первоначальный баланс и заставит самолет ускорить тангаж. Но это будет продолжаться только до тех пор, пока момент от руля высоты не уравновесит растущий момент понижения тангажа от естественной устойчивости.

Теперь динамика этого шагового процесса зависит от нескольких факторов. Помимо этого$C_m$и отклонение руля высоты, это будет зависеть от демпфирования . Демпфирование также происходит естественным образом, и это происходит со всеми самолетами, независимо от того, устойчивы ли они по тангажу или нет.

Демпфирование, по определению, — это процесс, противодействующий скорости : чем быстрее вы движетесь, тем больше сила, замедляющая вас. В отсутствие других сил вы остановитесь на какой-то постоянной скорости после начального ускорения. Это, опять же, то, что произошло бы при изолированном крене: когда поток симметричен, крыло не производит никаких пружинных сил, которые восстанавливают крен.

Есть два основных способа имитации демпфирования. Во-первых, вы просто прямо вводите этот термин:$C_m(\dot\theta)$, то есть момент тангажа как функция скорости тангажа. В нормальном рабочем диапазоне AoA это почти постоянное значение (т. е. пропорциональный член) и всегда отрицательное. Значение этой константы довольно легко оценить по геометрии хвоста — см. ниже. Но все становится сложнее, когда вы приближаетесь к стойлу. (Они всегда делают).

Второй способ — это имитация того, как на самом деле происходит демпфирование. В основном это происходит из-за того, что локальный угол атаки на хвосте изменяется по мере тангажа самолета. Учтите это: когда вы поднимаетесь, хвост опускается. К нему «снизу поступает» больше воздуха, что эквивалентно более высокому УА. Уровень этого увеличения зависит от добавленной вертикальной скорости хвоста по отношению к нормальной скорости полета вперед:$\arctan(w/v)$. (На практике вы обычно можете отказаться от арктангенса, так как угол мал). Сейчас,$w$линейно зависит от скорости тангажа$\dot\theta$(часто обозначается$q$) и "рука"$L$хвоста (его расстояние до ЦТ):$q\cdot L$.

Так вот, если смоделировать хвост "правильно", т.е. смоделировать подъемную силу на нем и через него все моменты, которые он производит, то нужно будет добавить это локальное увеличение его УА, и все произойдет автоматически. В качестве альтернативы, если вы моделируете моменты от хвоста напрямую (что часто и делается), вы можете получить величину демпфирования, зная его природу: оно (точнее, его коэффициент) будет пропорционально$q\cdot L$, то к другому$L$потому что на этом расстоянии действует сила (делающая зависимость от$L^2$), и к площади горизонтального стабилизатора, и обратно к скорости.

Хвост — не единственный фактор демпфирования, но обычно он, безусловно, основной. Если вы учтете это, ваша модель будет вести себя намного лучше. Тем не менее, чтобы учесть все остальные вещи, у вас часто будет дополнительный термин$C_{m_{other}}(q)$(по крайней мере, линейно:$C_{m_{other}}^q\cdot q$), даже если смоделировать хвост отдельно.

Надеюсь, это решает вопрос, почему модель ведет себя так неестественно. Остается рассмотреть, что произойдет, если вы действительно захотите смоделировать статически неустойчивый истребитель.

Статически неустойчивый самолет по-прежнему будет иметь такое же демпфирование, но его «пружинный» термин$C_m(\alpha)$будет положительным (или нулевым для нейтральной устойчивости). Если вы потянете лифт вверх, самолет начнет набирать высоту до бесконечности. Это движение будет ограничено только тремя способами:

• Демпфирование ограничивает максимальную скорость тангажа.
• Когда самолет достигает сваливания (особенно хвостового сваливания), все становится совсем по-другому. Самолет может снова стать стабильным (что приведет к маневру, подобному «Кобре»), или может «застрять» на определенном высоком угле атаки. Моделирование этих режимов — отдельная задача в динамике полета.
• Активный компьютерный контроль. Да, простой ПИД-контур может решить эту проблему. Да, задержки в системе управления - это реальная проблема, и вам потребуется более тщательная настройка контроллера, особенно. его термин D. Это весело.