2620

Введение в курс АП и ИВК

Контрольная

Астрономия и авиация

Назначение и классификация АП. Современное состояние АП и ИВК. Условия эксплуатации АП и ИВК. Основные понятия и структуры приборного комплекса. Современное состояние и перспективы развития приборных комплексов...

Русский

2012-11-12

446.5 KB

28 чел.

Введение 2

1. Назначение и классификация АП 4

2. Современное состояние АП и ИВК 5

3. Условия эксплуатации АП и ИВК 8

4. Основные понятия и структуры приборного комплекса 10

5. Современное состояние и перспективы развития приборных комплексов 15

6. Измерительные сигналы и их преобразование 18

Заключение 29

Контрольные вопросы 29


Введение

В настоящее время происходит непрерывный процесс совершенствования авиационного оборудования летательных аппаратов в соответствии с постоянно усложняющимися задачами, решаемыми современными авиационными комплексами. Приборное оборудование является важной составной частью бортового авиационного оборудования летательного аппарата. Оно выполняет задачу получения информации о параметрах, характеризующих пространственное положение и движение летательного аппарата в воздушной среде, работу авиационных двигателей и других систем. Эта информация используется для ручного или автоматического управления полетом, для контроля режимов работы силовых установок (СУ), для выполнения задач полета и обеспечения его безопасности.

В понятие «авиационные приборы» включают различные группы приборов, важнейшими из которых являются пилотажно-навигационные, а также приборы контроля работы силовой установки и других систем самолета. Пилотажно-навигационные приборы, в свою очередь, включают в себя аэрометрические приборы, пилотажные гироскопические приборы, навигационные устройства и системы. В процессе своего развития и совершенствования курсовые и навигационные системы выделились в отдельный класс авиационных приборов и измерительных систем. Показания аэрометрических, пилотажных гироскопических приборов, приборов контроля работы силовых установок непосредственно влияют на безопасность полетов. К ним предъявляются особые требования по надежности выдачи информации в аварийных условиях. Поэтому при создании и совершенствовании этой группы приборов стремятся сделать так, чтобы они сохранили свою самостоятельность и автономность, т. е. чтобы работа каждого из этих приборов не зависела от работы других приборов и систем или чтобы эта зависимость, по крайней мере, была минимальной.

Некоторые авиационные приборы входят в измерительные системы и комплексы, и эта тенденция комплексирования усиливается.

Успешное решение задач, связанных с управлением сложными техническими системами и разработкой новых технологий, во многом определяется уровнем развития информационно-измерительной техники. Сроки внедрения научно-технических достижений в различных отраслях деятельности человека также непосредственно связаны с качеством получаемой и анализируемой информации на этапах разработки и доводки изделий. Качество этой информации приобретает особое значение в авиационной технике, где каждый эксперимент в ходе разработки изделий связан с большими временными и экономическими затратами, а получение полной и достоверной информации об объекте исследований позволяет сократить число испытаний и тем самым сроки внедрения образцов новой техники.

С развитием авиации, ростом числа и сложности задач, выполняемых ЛА, существенно повысились требования к информационному обеспечению полета. Эксплуатационные характеристики современного ЛА определяются не только техническим уровнем его планера и двигательной установки, но и в большой степени совершенством бортового оборудования самолета, его приборного комплекса. Это оборудование должно обеспечивать высокоточную четырехмерную навигацию, посадку ЛА в сложных метеоусловиях, всесторонний контроль, диагностику и локализацию отказов бортовой аппаратуры, информационную разгрузку экипажа.

В середине 70-х годов завершился процесс формирования предпосылок перехода бортового оборудования ЛА на цифровые средства передачи и обработки информации, что потребовало нового принципа организации его структуры. Широкое применение в бортовом оборудовании ЛА цифровой вычислительной техники породило и новые проблемы проектирования этого оборудования на базе различных способов объединения вычислительных средств в единую систему. В этих условиях особенно актуальными стали выбор функционально-структурного облика бортового оборудования, а также разработка эффективного математического и программного обеспечения, необходимого для его функционирования.

Возросшая сложность бортовых приборных комплексов привела к необходимости автоматизации их проектирования, без которой принципиально невозможно разработать сложную техническую систему на уровне современных требований. Создаваемые в настоящее время образцы новой техники настолько сложны и требуют таких затрат труда и времени, что если представить себе проект сложной системы или комплекса, разрабатываемый без применения средств вычислительной техники, то можно с уверенностью сказать, что на момент окончания работ такой проект морально устареет. Единственный выход состоит в кардинальном сокращении сроков проектирования, которое может быть достигнуто при создании и использовании систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих осуществить сквозную автоматизацию всех этапов проектирования сложных систем и комплексов при условии эффективного сочетания на каждом из этапов творческого потенциала, опыта разработчиков авиационной техники и возможностей ЭВМ.

1. Назначение и классификация АП

Авиационные приборы и бортовые измерительно-вычислительные комплексы служат для контроля параметров полета, работы силовых установок, различных бортовых систем и агрегатов, а также состояния окружающей атмосферы. В соответствии с этим назначением выделяют следующие группы авиационных приборов:

пилотажно-навигационные приборы и системы;

приборы контроля работы силовой установки;

приборы контроля работы отдельных бортовых систем и агрегатов;

приборы контроля параметров окружающей атмосферы.

Пилотажно-навигационные приборы и системы измеряют параметры движения центра масс летательного аппарата (координаты местонахождения, высоту, скорость, линейные ускорения), углы пространственной ориентации летательного аппарата относительно земли (углы курса, крена, тангажа) и относительно набегающего воздушного потока (углы атаки, скольжения). К пилотажно-навигационным приборам и системам относятся аэрометрические приборы (высотомеры, указатели скорости и числа маха, вариометры), системы воздушных сигналов, информационные комплексы высотно-скоростных параметров полета, измерители углов атаки и скольжения, пилотажные гироскопические приборы (авиагоризонты, гировертикали, гирополукомпасы), курсовые системы, курсовертикали и различные навигационные системы, изучение которых выходит за рамки данного учебника. На современных летательных аппаратах пилотажно-навигационные приборы, навигационные системы, бортовые вычислительные устройства и системы автоматического управления, как правило, объединяются в пилотажно-навигационный комплекс, представляющий собой большую информационно-управляющую систему.

Приборы контроля работы силовой установки измеряют частоту вращения вала авиадвигателя, температуру газа и масла, давление топлива, масла и газов, запас и расход топлива, вибрацию и другие параметры. К этой группе приборов относятся тахометры, манометры, термометры, топливомеры, расходомеры, измерители вибрации и другие приборы.

Параметрами, характеризующими работу различных бортовых систем и агрегатов, являются : температура, давление и расход жидкостей и газов, положение различных органов управления летательного аппарата и др. Эти параметры измеряются манометрами, термометрами, указателями расхода воздуха, высоты и перепада давления в гермокабинах, положения закрылков, стабилизаторов, стреловидности крыла и другими приборами.

К параметрам окружающей атмосферы относятся температура, давление, влажность и скорость ветра. Измеряются эти параметры барометрами, термометрами, гигрометрами, плотномерами и измерителями скорости ветра. Кроме перечисленных приборов в последние годы на летательных аппаратах все большее распространение получают различные датчики, служащие для выработки измерительной информации в форме, удобной для ее преобразования и передачи, но не для непосредственного наблюдения.

2. Современное состояние АП и ИВК

В современных бортовых приборах все больше информации выносится на общий индикатор. Комбинированный (многофункциональный) индикатор дает возможность пилоту одним взглядом охватывать все объединенные в нем индикаторы. Успехи электроники и компьютерной техники позволили достичь большой интеграции в конструкции приборной доски кабины экипажа и в авиационной электронике. Полностью интегрированные цифровые системы управления полетом и многофункциональные индикаторы дают пилоту лучшее представление о пространственном положении и местоположении самолета, чем это было возможно ранее. Новый тип комбинированной индикации – проекционный – дает возможность проецировать показания приборов на лобовое стекло самолета, тем самым совмещая их с панорамой внешнего вида. Такая система индикации применяется не только на военных, но и на некоторых гражданских самолетах.

Указатель пространственного положения представляет собой гироскопический прибор, который дает пилоту картину внешнего мира в качестве опорной системы координат. На указателе пространственного положения имеется линия искусственного горизонта. Символ самолета меняет положение относительно этой линии в зависимости от того, как сам самолет меняет положение относительно реального горизонта. В командном авиагоризонте обычный указатель пространственного положения объединен с командно-пилотажным прибором. Командный авиагоризонт показывает пространственное положение самолета, углы тангажа и крена, путевую скорость, отклонение скорости (истинной от «опорной» воздушной, которая задается вручную или вычисляется компьютером управления полетом) и представляет некоторую навигационную информацию. В современных самолетах командный авиагоризонт является частью системы пилотажно-навигационных приборов, которая состоит из двух пар цветных ЖКИ индикаторов – по два ЖКИ для каждого пилота. Один ЖКИ представляет собой командный авиагоризонт, а другой – плановый навигационный прибор. На экраны выводится информация о пространственном положении и местоположении самолета во всех фазах полета.

Плановый навигационный прибор (ПНП) показывает курс, отклонение от заданного курса, пеленг радионавигационной станции и расстояние до этой станции. ПНП представляет собой комбинированный индикатор, в котором объединены функции четырех индикаторов – курсоуказателя, радиомагнитного индикатора, индикаторов пеленга и дальности. Электронный ПНП с встроенным индикатором карты дает цветное изображение карты с индикацией истинного местоположения самолета относительно аэропортов и наземных радионавигационных средств. Индикация направления полета, вычисления поворота и желательного пути полета предоставляют возможность судить о соотношении между истинным местоположением самолета и желаемым. Это позволяет пилоту быстро и точно корректировать путь полета. Пилот может также выводить на карту данные о преобладающих погодных условиях.

Существует ряд различных электронных систем воздушной навигации. Всенаправленные радиомаяки - это наземные радиопередатчики с радиусом действия до 150 км. Они обычно определяют воздушные трассы, обеспечивают наведение при заходе на посадку и служат ориентирами при заходе на посадку по приборам. Направление на всенаправленный радиомаяк определяет автоматический бортовой радиопеленгатор, выходная информация которого отображается стрелкой указателя пеленга.

Основным международным средством радионавигации являются всенаправленные азимутальные радиомаяки УКВ-диапазона VOR; их радиус действия достигает 250 км. Такие радиомаяки используются для определения воздушной трассы и для предпосадочного маневрирования. Информация VOR отображается на ПНП и на индикаторах с вращающейся стрелкой.

Дальномерное оборудование (DME) определяет дальность прямой видимости в пределах около 370 км от наземного радиомаяка. Информация представляется в цифровой форме. Для совместной работы с маяками VOR вместо ответчика DME обычно устанавливают наземное оборудование системы TACAN. Составная система VORTAC обеспечивает возможность определения азимута с помощью всенаправленного маяка VOR и дальности с помощью дальномерного канала TACAN.

Глобальная система местоопределения (GPS и ГЛОНАСС) - военная спутниковая система навигации, рабочая зона которой охватывает весь земной шар, - теперь доступна и гражданским пользователям. К концу тысячелетия системы «Лоран», «Омега», VOR/DME и VORTAC практически полностью вытеснены спутниковыми системами.

Система посадки по приборам - это система радиомаяков, обеспечивающая точное наведение самолета при окончательном заходе на посадочную полосу. Посадочный курс и угол глиссады представляются на командном авиагоризонте и ПНП. Индексы, расположенные сбоку и внизу на командном авиагоризонте, показывают отклонения от угла глиссады и средней линии посадочной полосы. Система управления полетом представляет информацию системы посадки по приборам посредством перекрестья на командном авиагоризонте.

Система обработки и индикации пилотажных данных (FMS) обеспечивает непрерывное представление траектории полета. Она вычисляет воздушные скорости, высоту, точки подъема и снижения, соответствующие наиболее экономному потреблению топлива. При этом система использует планы полета, хранящиеся в ее памяти, но позволяет также пилоту изменять их и вводить новые посредством компьютерного дисплея (FMC/CDU). Система FMS вырабатывает и выводит на дисплей летные, навигационные и режимные данные; она выдает также команды для автопилота и командного пилотажного прибора. В дополнение ко всему она обеспечивает непрерывную автоматическую навигацию с момента взлета до момента приземления. Данные системы FMS представляются на ПНП, командном авиагоризонте и компьютерном дисплее FMC/CDU.

Индикаторы работы авиадвигателей сгруппированы в центре приборной доски. С их помощью пилот контролирует работу двигателей, а также (в режиме ручного управления полетом) изменяет их рабочие параметры.

Для контроля и управления гидравлической, электрической, топливной системами и системой поддержания нормальных рабочих условий необходимы многочисленные индикаторы и органы управления. Индикаторы и органы управления, размещаемые либо на панели бортинженера, либо на навесной панели, часто располагают на мнемосхеме, соответствующей расположению исполнительных органов. Индикаторы мнемосхем показывают положение шасси, закрылков и предкрылков. Может указываться также положение элеронов, стабилизаторов и интерцепторов. В случае нарушений в работе двигателей или систем, неправильного задания конфигурации или рабочего режима самолета вырабатываются предупредительные, уведомительные или рекомендательные сообщения для экипажа. Для этого предусмотрены визуальные, звуковые и тактильные средства сигнализации. Современные бортовые системы позволяют уменьшить число раздражающих тревожных сигналов. Приоритетность последних определяется по степени неотложности. На электронных дисплеях высвечиваются текстовые сообщения в порядке и с выделением, соответствующими степени их важности. Предупредительные сообщения требуют немедленных корректирующих действий. Уведомительные - требуют немедленного ознакомления, а корректирующих действий - в последующем. Рекомендательные сообщения содержат информацию, важную для экипажа. Предупредительные и уведомительные сообщения делаются обычно и в визуальной, и в звуковой форме. Системы предупредительной сигнализации предупреждают экипаж о нарушении нормальных условий эксплуатации самолета. Например, система предупреждения об угрозе срыва предупреждает экипаж о такой угрозе вибрацией обеих штурвальных колонок. Система предупреждения опасного сближения с землей дает речевые предупредительные сообщения. Система предупреждения о сдвиге ветра дает световой сигнал и речевое сообщение, когда на маршруте самолета встречается изменение скорости или направления ветра, способное вызвать резкое уменьшение воздушной скорости. Кроме того, на командном авиагоризонте высвечивается шкала тангажа, что позволяет пилоту быстрее определить оптимальный угол подъема для восстановления траектории.

3. Условия эксплуатации АП и ИВК

Авиационные приборы эксплуатируются в условиях воздействия климатических, механических и других факторов. Интенсивность воздействия таких факторов на приборы зависит от типа летательного аппарата, его летно-технических характеристик и места установки авиационных приборов на летательном аппарате.

К климатическим факторам относятся прежде всего температура, давление и влажность воздуха. Температура окружающего воздуха может изменяться в пределах от +60 до —60° С, температура воздуха в не герметизируемых зонах летательного аппарата может достигать +100° С, а в зоне двигателя до +300° С. Изменение температуры влияет на линейные размеры деталей, упругость чувствительных элементов и пружин, электрическое сопротивление проводников и магнитное сопротивление магнитопроводов, состояние смазки трущихся деталей, состояние пластмасс изоляционных материалов. Для снижения вредного влияния температуры на авиационные приборы выбирают материалы с малыми температурными коэффициентами, применяют термостатирование и устройства температурной компенсации, используют специальные смазки и т. д.

Давление окружающего воздуха зависит от высоты полета и при высотных полетах может снижаться до 0,67 кПа (5 мм рт. ст.). Снижение давления ухудшает отвод тепла от приборов, усиливает испарение смазки, уменьшает напряжение пробоя изоляции, ухудшает коммутацию, снижает работоспособность негерметичных приборов. Для предотвращения вредных последствий влияния пониженного атмосферного давления применяют изоляционные материалы повышенного качества, уменьшают количество контактных групп, улучшают герметичность приборов, трубопроводов и отсеков с оборудованием.

Относительная влажность воздуха может изменяться от 0 до 100% при высотных полетах и при полетах в нижних слоях атмосферы. Для авиационных приборов наиболее опасна повышенная влажность воздуха, которая ухудшает электрическую изоляцию деталей, изменяет диэлектрическую проницаемость материалов, ускоряет коррозию металлов, создает угрозу заклинивания подвижных частей приборов или закупорки трубопроводов при возможном замерзании влаги. Для уменьшения влияния повышенной влажности на авиационные приборы производят осушку воздуха в кабинах и отсеках, применяют нержавеющие материалы, лакокрасочные и гальванические покрытия, используют пластмассы с пониженным водопоглощением, применяют герметизацию и обогрев приборов.

К механическим факторам относятся ускорения, удары, вибрации и шумы. Воздействие механических факторов вызывает смещение положения равновесия подвижных частей приборов при наличии небаланса, увеличение зоны застоя в опорах, нарушение прочности узлов крепления, обрывы проводов в местах пайки, ускоренный износ осей, опор и подшипников, снижение точности работы приборов. Для уменьшения влияния механических факторов на приборы используются индивидуальная амортизация приборных досок, тщательная балансировка подвижных частей приборов, прочные и твердые конструкционные материалы, специальная обработка деталей, обязательная проверка изготовленных приборов на воздействие механических факторов.

К другим эксплуатационным факторам относятся солнечная радиация, пыль, дождь, снег, электрические и магнитные поля и др. Против этих факторов в авиационных приборах также используются определенные защитные меры. Разработка авиационных приборов осуществляется с учетом перечисленных эксплуатационных факторов. Изготовленные приборы в соответствии с требованиями действующих стандартов подвергаются испытаниям на воздействие указанных эксплуатационных факторов.

4. Основные понятия и структуры приборного комплекса

Под приборным комплексом понимается совокупность бортовых измерительных и вычислительных средств, служащих для восприятия, обработки, хранения и преобразования информации, необходимой для успешного выполнения полетного задания.

Обобщенная структурная схема современного бортового приборного комплекса представлена на рис. 1. Здесь приняты следующие обозначения: УВИm, т = 1, М - устройства, воспринимающие информацию о линейных и угловых координатах положения ЛА в пространстве или информацию о параметрах, характеризующих работу его силовых установок, отдельных систем и агрегатов; УОИn, n = 1, N - устройства первичной обработки информации, поступившей от устройств, ее воспринимающих; БВС - бортовая вычислительная система; УИl , l = 1, L - устройства индикации; УCk , k = 1, K - устройства сопряжения бортового приборного комплекса c другими системами и комплексами.

Отличительными особенностями задач, решаемых современными ЛА, являются все увеличивающиеся скорости, дальности и высоты полета в условиях действия разнообразных и многочисленных внешних факторов. При этом требования к точности и надежности решения полетных задач возрастают. Выполнить эти задачи возможно путем комплексирования приборного оборудования - его объединения на базе бортовых средств вычислительной техники.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема приборного комплекса

Каждое устройство, воспринимающее информацию об определенном параметре, может быть связано с одним или несколькими микропроцессорами. Порядок подключения микропроцессоров и выполняемые ими операции определяются алгоритмами вычислений, задаваемыми решаемыми измерительными задачами.

Устройства, воспринимающие информацию о параметрах, подключаются к микро-ЭВМ, которая производит их первичную обработку по различным алгоритмам в соответствии с решаемыми задачами.

Выходные сигналы устройств обработки информации могут поступать как потребителям (экипажу через устройства индикации и другим системам и комплексам через устройства сопряжения), так и в бортовую вычислительную систему для дальнейшей обработки.

Условия, в которых используется бортовое оборудование, накладывают жесткие ограничения на физические, технические и эксплуатационные характеристики компонентов бортовой вычислительной системы. Средства вычислительной техники выполняют на борту следующие функции:

преобразования сигналов - как аналого-цифрового, так и цифроаналогового;

кодирования информации - входной для обработки, выходной для передачи и представления потребителям;

интерфейса, осуществляющего в соответствии с правилами, задаваемыми управляющей программой, связь между устройствами комплекса;

комплексной обработки поступающей в вычислительную систему информации с целью получения всех выходных данных, необходимых потребителям;

контроля состояния аппаратуры комплекса, диагностики ее отказов и управления функционированием всей аппаратуры как в соответствии с ее состоянием, так и в соответствии с изменяющимися внешними условиями.

Информационные связи между устройствами комплекса описываются его топологией. Обобщенная топология бортового комплекса представлена на рис. 2. Топологическими элементами Rj , Rji , Rnlk в этой структуре могут быть процессоры, ЦВМ, устройства сбора информации, устройства ее хранения, устройства индикации, измерительные преобразователи и системы, устройства управления и т. п. Линии передачи информации реализуются в такой структуре в виде обычных каналов связи между отдельными устройствами и мультиплексных магистралей, осуществляющих с помощью ЦВМ одновременную передачу информации для различных устройств.

Приборные комплексы могут иметь централизованную, федеративную или распределенную топологию.

Типичной для централизованной топологии является структура с одной мощной ЦВМ, показанная на рис. 3.

Рис. 2. Обобщенная типология приборного комплекса

Одна ЭВМ в этой структуре связана со многими устройствами, которые воспринимают информацию и осуществляют ее первичную обработку (ИУn , n = 1, N), а также индикаторами (УИl , l = 1, L), и устройствами сопряжения с другими системами (УCk , k = 1, K). 

Появление топологии с одной мощной ЦВМ на борту было вызвано экономическими причинами. Но она обладает существенным недостатком: модификация ее стоит очень дорого. Дорого обходится как введение дополнительной аппаратуры и избыточности, так и расширение функций комплекса, связанное с радикальным пересмотром математического обеспечения ЦВМ. Эта структура сохраняет свое значение лишь на уникальных ЛА.

Федеративная структура предполагает, что для связи ЦВМ и процессоров между собой и для связи процессоров с устройствами, воспринимающими информацию, используются различные магистрали.

В этих структурах допускается некоторая функциональная избыточность и расширение состава оборудования.

Наибольший интерес в настоящее время представляет собой топология распределенных систем. Отличие структур этого класса состоит в том, что здесь каждый вычислитель имеет свой собственный набор внешних устройств, воспринимающих информацию и отображающих ее. Связь отдельных фрагментов такой структуры между собой может осуществляться только через вычислитель. Вычислительные функции распределены здесь между различными и независимыми с точки зрения управления их вычислительным процессом ЭВМ.

Рис. 3. Централизованная типология приборного комплекса

Независимость ЦВМ придает комплексу, построенному в соответствии с распределенной топологией, очень важное свойство - отдельные системы и подсистемы комплекса, связанные с определенной ЦВМ, можно проектировать и отлаживать одновременно независимо друг от друга, после того как к ним предъявлены требования со стороны комплекса в целом. Кроме того, ЦВМ может быть ориентирована на решение определенного круга задач, например задач статистической обработки сигналов, задач генерирования сигнальной информации. Разработка математического обеспечения для такой ЦВМ упрощается, так как оно предназначено для решения однотипных задач. И, наконец, в распределенных топологиях можно использовать любые методы повышения надежности, в том числе и резервирование самой ЦВМ различной кратности.

Основной недостаток распределенных структур связан с разнотипностью вычислителей, которые используются в отдельных системах, входящих в приборный комплекс. Объединение таких ЦВМ в единую структуру связано с большими техническими трудностями и экономическими затратами, требует разработки специальных сопрягающих преобразователей. Перспективные приборные комплексы будут использовать унифицированные вычислительные элементы на базе микропроцессоров. Задача проектирования такого комплекса будет состоять в выборе оптимального набора унифицированных вычислительных модулей и дополняющих их элементов с целью построения развивающейся структуры с гибкой системой связей.

5. Современное состояние и перспективы развития приборных комплексов

Основой построения любого комплексного устройства или системы является использование избыточной информации об одной и той же величине. В рассматриваемых задачах это избыточная информация о параметрах, характеризующих положение и движение ЛА в пространстве или состояние систем, которая получена от различных источников, измерительных преобразователей, устройств, систем.

По мере увеличения объема и сложности задач, решаемых ЛА и его экипажем, усложнялось и бортовое оборудование. В этом процессе выделяется пять этапов:

I - самостоятельные, независимые приборы и устройства;

II - автономные бортовые подсистемы;

III - бортовые системы с собственными, независимыми вычислительными устройствами;

IV - комплексы бортовых систем с единой вычислительной машиной для всех систем;

V - комплексы бортового оборудования интегрального типа с использованием вычислительных систем.

В 1940 - 1945 гг. были начаты работы по созданию автопилота. Они были успешно завершены в 1945 - 1950 гг. Измерительная бортовая аппаратура второго поколения характеризовалась непосредственной связью измерительного преобразователя, воспринимающего измеряемый сигнал, с индикатором, отражающим информацию об этом измерении экипажу. Связи и соподчинения между отдельными приборами отсутствовали.

С ростом тактико-технических данных ЛА расширяются диапазоны, повышаются требования к точности и надежности измерений. Создание счетно-решающих устройств для аппаратуры третьего поколения стало затруднительно осуществить в пределах стандартных габаритных размеров приборов. Точность ряда пилотажно-навигационных приборов оказалась недостаточной, а число таких устройств на борту непрерывно увеличивалось, что, в свою очередь, привело к неоправданному дублированию информации о пилотажно-навигационных параметрах, и громоздкости этой бортовой аппаратуры. Эти обстоятельства обусловили разработку единых систем для определения и выдачи всем потребителям основных воздушных сигналов. Последние получили название централей скорости и высоты, а затем стали именоваться системами воздушных сигналов.

Большинство централей предназначено для определения числа маха, истинной воздушной и индикаторной скорости, барометрической относительной и абсолютной высоты, температуры наружного воздуха и отклонений этих параметров от заданных значений. В них измеряемыми сигналами являются статическое и динамическое давление атмосферы, а также температура торможения воздушного потока. . Аппаратура третьего поколения характеризовалась наличием разнородных вычислительных устройств у различных систем. Первые вычислительные устройства этих систем были аналоговыми, затем появились цифровые вычислители

Бортовая аппаратура четвертого поколения выполнена на микросхемах и интегральных схемах. Ее масса уменьшилась в несколько раз. Для повышения надежности измерений начинают использоваться резервирование, диагностика отказов, автоматический контроль. Это поколение характеризуется развитием сложных систем, появлением глубоких, функциональных связей между отдельными системами, использованием многоцелевой ЦВМ для централизованного сбора и обработки результатов измерений и управления различными режимами полета.

Бортовая аппаратура пятого поколения характеризуется объединением в единое целое различных бортовых систем на базе сети вычислительных средств. Структура такого комплекса может быть как строго иерархичной, так и гибкой. Этот переход сопровождается повышением степени резервирования отдельных устройств и систем и степени автоматизации контроля их работоспособности.

Создание единых цифровых комплексов бортового оборудования определяет переход к полуавтоматическим ЛА, в которых экипаж максимально разгружен и защищен от информационных и стрессовых перегрузок.

6. Измерительные сигналы и их преобразование

Измерительные сигналы это сигналы , являющиеся физическими носителями измерительной информацию. К ним относим: полезные сигналы, получаемые от исследуемых, контролируемых или управляемых объектов; вредные сигналы или помехи, поступающие в измерительную систему вместе с полезными сигналами или независимо от них; помехи, возникающие внутри измерительной системы, специально генерируемые в системе или вне ее сигналы, улучшающие работу системы (модуляция, дискретизация и др.).

Носителями физических сигналов используются импульсы механической, тепловой, электрической, магнитной, акустической и световой энергии и другие ее виды. Измерительные сигналы можно разделить на постоянные и переменные; неслучайные и случайные; периодические, почти периодические, импульсные, стационарные и нестационарные. На рис.4. дана одна из возможных систем классификации сигналов.

Физические величины, как носители сигналов, подразделяются на непрерывные, имеющие бесконечно большое число размеров (рис. 5, а), и квантованные по уровню (рис.5, б).

Рис. 4. Классификация сигналов

Рис. 5. Виды сигналов

Сигналы в зависимости от характера изменения во времени или пространстве делятся на непрерывные и дискретизированные (дискретные). Дискретизированные сигналы принимают отличные от нуля значения только в определенные моменты времени или в определенных точках пространства. На том же рис.5. даны примеры дискретизированных (рис. 5, в) и дискретизированных и квантованных (рис. 5, г) сигналов.

Во временной области измерительный сигнал рассматривается как функция времени, характеристики которой содержат информацию, заключенную в сигнале. Существует понятие типичные сигналы.

Импульсным называется сигнал, величина которого ничтожно мала в любой точке временной оси, за исключением некоторой конечной области. Среди импульсных сигналов характерными являются (рис. 6.):

а — единичная функция, б — единичный импульс (-функция Дирака), в — прямоугольный, г — экспоненциальный, д — пакет синусоид, е — затухающая синусоида, ж—гауссов импульс, з — импульс типа sin t/t, и — импульс типа (sin t/t) 2.

Информативными характеристиками и параметрами импульсных сигналов являются: величина сигнала как функция времени x(t); амплитудное (максимальное) значение max{x(t)}; длительность сигнала; период повторения; крутизна переднего  или заднего фронта; площадь под сигналом

 

энергия сигнала Е

 

и т. д.

Очевидно, площадь S для всех сигналов, кроме единичной функции (рис. 6, а), ограничена и конечна, а для единичного импульса (рис. 7, б) и гауссова сигнала (рис. 6, ж) S=1.

Энергия всех сигналов на рис. 6, кроме показанных на рис. 6, а и б, конечна, поэтому можно написать

 

Сигналы, значения которых повторяются через постоянные интервалы времени, называются периодическими (рис.7). Для периодических сигналов справедливо соотношение

x(t)=x(t+kT), (k=0, ±1, ±2,..),

где Т - период сигнала.

Рис. 6. Импульсные сигналы

Рис. 7. Периодические сигналы

Если известно поведение периодического сигнала за время Т, то полностью известно его прошлое и будущее. Поэтому такой сигнал несет мало информации. Однако его изучение необходимо потому, что, во-первых, знание реакции прибора на периодический сигнал позволяет получить многие свойства при его реакции на другие виды сигналов, а, во-вторых, периодический и, в частности, синусоидальный сигнал используется в качестве несущего, промодулированного полезным сигналом или помехой.

Синусоидальный сигнал (рис. 7, a), для которого

 

определяется тремя параметрами: амплитудой , частотой ω и фазой ψ. Любой из этих параметров при осуществлении амплитудной, частотной или фазовой модуляции может быть информативным.

Периодический сигнал может быть представлен рядом Фурье

 

при этом параметры , , могут быть информативными. При

исследовании вибраций машин, аппаратов и устройств периодические сигналы являются полезными измерительными сигналами.

В измерительной технике широко применяются периодические последовательности прямоугольных импульсов, свойства которых определяются амплитудой  периодом повторения Т и длительностью τ (рис. 7, б, в, г). Применяются также пилообразные (рис.7, д) и треугольные (рис.7, е) импульсы.

Для периодических сигналов рассматривают среднее значение за период

 

или

 

и среднюю мощность

 

Очевидно, средняя мощность за период конечна, то есть

.

Сигнал, состоящий из конечного числа периодических составляющих, не имеющих кратного периода, называется почти периодическим. Многие полигармонические сигналы на практике являются почти периодическими.

Особый класс составляют случайные сигналы, создаваемые случайными процессами в объектах и системах, о которых имеются неполные сведения. Случайные сигналы могут быть созданы посредством специальных генераторов. Характеристики случайных сигналов известны только с определенной вероятностью. Случайный сигнал х(t) полностью характеризуется бесконечным множеством реализаций, образующих ансамбль (рис. 8, а). Взятый из этого ансамбля отдельный сигнал  (рис.8,б) называется реализацией или выборочной функцией случайного сигнала х{t).

Рис. 8. Случайные сигналы

Рассмотрим характеристики сигналов в частотной области, с использованием преобразования Фурье. Периодический сигнал х(t) периода Т, удовлетворяющий условиям Дирихле (отсутствие разрывов второго рода), может быть разложен в ряд Фурье

 

С помощью этого ряда периодический сигнал х(t) представлен в виде суммы бесконечно большого числа гармонических составляющих с амплитудами , частотами  и фазами . Частоты гармоник кратны основной частоте, т. е. . При указанных выше условиях (условия Дирихле) ряд сходится, при этом чем выше порядок гармоники, тем меньше ее амплитуда. Совокупность амплитуд гармоник  (k=0, 1, 2,...) характеризует свойства сигнала х(t) в частотной области и называется его спектром.

Обычно периодические сигналы имеют дискретные спектры, состоящие из отдельных линий. Такие спектры называются линейчатыми.

Чем короче во времени импульсный сигнал, тем шире его спектр. В предельном случае для единичного импульса δ(t) ширина спектра бесконечно велика. Сигнал, имеющий такой спектр, называется белым шумом.

Звенья измерительной системы осуществляют определенные преобразования сигналов. Характер преобразования определяется свойствами звеньев и описывается функцией преобразования

 

К числу основных операций преобразования относятся: квантование, дискретизация, восстановление, сравнение, функциональное изменение, фильтрация, модуляция, детектирование и запоминание. Преобразование может быть линейным и нелинейным. Звенья системы, осуществляющие линейные или нелинейные преобразования, называются соответственно линейными или нелинейными.

Для описания свойств системы можно воспользоваться дифференциальным уравнением, импульсной переходной функцией, передаточной функцией и частотной характеристикой. Знание одной из этих характеристик достаточно для получения всех остальных.

Преобразование непрерывного сигнала в дискретный, состоящий из множества квантов, называется квантованием по уровню.

Рис.9. Пример дискретизации сигнала

Дискретизация состоит в замене непрерывной по аргументу функции x(t) функцией  дискретного аргумента  (рис.9.). Шагом  дискретизации называется промежуток между соседними значениями аргумента. Дискретный сигнал как функция времени может быть представлен выражением

 

где δ — дельта-функция Дирака.

Дискретизация может быть равномерной, когда , и неравномерной, если шаг  переменный. Реализация процесса дискретизации осуществляется, например, путем пропускания непрерывного сигнала х(t) через ключ, замыкаемый на очень короткое время в моменты  При этом реализуется совокупность мгновенных значений . По этим мгновенным значениям можно восстановить исходную функцию х(t) c необходимой точностью. Функцию, полученную в результате восстановления по отсчетам , называют восстанавливающей.

Операция выделения из спектра сигнала определенной полосы частот называется фильтрацией. Фильтрацию можно классифицировать по роду преобразований на аналоговую и цифровую, а по расположению полос пропускания — на фильтрацию низких частот, высоких частот, полосовую и заграждающую.

Устройства, осуществляющие фильтрацию, называются фильтрами. Основной характеристикой фильтра является его частотная характеристика (коэффициент передачи), имеющая параметры: крутизну S=dk/ и коэффициент затухания  и, естественно, полосу пропускания (заграждения).

В целях увеличения крутизны фильтры делают многозвенными, а для уменьшения коэффициента затухания — активными. Существо последнего состоит в том, что пассивные звенья фильтра (ПФ) объединяют с операционными усилителями.

Цифровая фильтрация заключается в том, что сигнал х(t) пропускают через цифровой фильтр, в котором реализуется требуемая импульсная переходная функция h(t). В таком фильтре полоса пропускания определяется функцией h(t) чем больше длительность h(t) во времени, тем уже полоса пропускания фильтра.

Обработанный таким образом дискретный сигнал затем пропускается через аналоговый низкочастотный фильтр, на выходе которого получают непрерывный сигнал у(t).

Воздействие измерительного сигнала х{t) на какой-либо стационарный сигнал называется модуляцией. В качестве стационарного сигнала, называемого носителем, выбирают синусоидальное колебание

 

Необходимость модуляции возникает когда требуется повысить точность обработки измерительного сигнала, а также его передача на различные расстояния.

Рис. 10. Виды модуляции

Синусоидальное колебание определяется амплитудой , частотой  и фазой . Все эти три величины можно модулировать (рис. 10.). В результате получаем амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляции.

Модуляцию можно характеризовать как умножение модулируемой величины у(t) на множитель 1+mx(t) где х(t) — модулирующая функция, такая, что |x(t)|<1, а т—глубина модуляции, причем 0<m<1.

Выделение из модулированного сигнала составляющей, пропорциональной измеряемому сигналу, называется детектированием.

Выделение полезной составляющей с частотой Ω в продетектированном сигнале осуществляется с помощью низкочастотного фильтра. Ясно, что линейное детектирование является более предпочтительным, так как в нем нет постоянной составляющей и колебания с частотой 2Ω, а высокочастотных составляющих только две вместо пяти

Рис. 11. Графики детектирования.

Выделение полезной составляющей с частотой Ω в продетектированном сигнале осуществляется с помощью низкочастотного фильтра. Линейное детектирование является более предпочтительным.

Модулированное колебание состоит из несущей частоты и двух групп, называемых боковыми полосами. Если коэффициент частотной модуляции  спектр частотно-модулированного сигнала не отличается от амплитудно-модулированного сигнала. Если условие  не выполняется (глубокая частотная модуляция), то спектр модулированного сигнала будет содержать не две боковых частоты, а множество частот. Поэтому спектр частотно-модулированного сигнала в общем случае шире, чем амплитудно-модулированного.

Детектирование ЧМ сигнала при  производится так же, как и детектирование АМ сигнала. При фазовой модуляции (см. рис. 10.) модулирующий сигнал воздействует на несущее колебание. В сигнале информативным параметром является фаза. ЧМ и ФМ сигналы при указанных выше ограничениях совпадают. Различие же между ними состоит в том, что коэффициент ЧМ зависит от частоты Ω модулирующего сигнала, тогда как коэффициент ФМ не зависит от частоты. Это обстоятельство требует введения соответствующей коррекции сигнала после детектирования.

Детектирование ФМ сигнала может быть осуществлено так, как указано при рассмотрении АМ и ЧМ, при этом для получения фазы необходимо осуществить интегрирование . Если модулирующий сигнал х(t) имеет разрывы непрерывности первого рода, то для детектирования приходится применять фазочувствительные детекторы с использованием опорного сигнала.

Если в качестве модулируемого сигнала используется периодическая последовательность импульсов (рис. 12.), то получим импульсную модуляцию.

При этом имеем амплитудную импульсную (АИМ), частотно-импульсную (ЧИМ), фазо-импульсную (ФИМ) и широтно-импульсную (ШИМ) модуляции. Детектирование импульсных модулированных. сигналов осуществляется посредством низкочастотных фильтров.

Рис. 12. Виды импульсной модуляции.

В измерительной технике модуляция применяется не только для

более совершенной обработки измерительных сигналов, но также для фильтрации помех, которые модулируются несущими частотами, отличными от несущей полезного сигнала.

Параметры окружающей среды, режима полёта, параметры работы двигателя, агрегатов и систем летательного аппарата имеют разную природу образования. Посредством датчиков необходимые параметры преобразуются в электрический сигнал. В то же время выходной сигнал авиационных приборов на современных летательных аппаратах как правило имеет цифровой характер. Требуемая точность, надёжность и информативность измеренного сигнала может быть обеспечена применением высокоточных датчиков, а также посредством соответствующих видов преобразований. Вышеперечисленные преобразования сигналов являются неотъемлемым элементом в функционировании авиационных приборов и измерительно-вычислительных комплексов летательных аппаратов.

Заключение

Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы обеспечивают надежный контроль за текущими значениями параметров, характеризующих режимы полета самолета, работу двигателя и отдельных систем. Полет в сложных метеорологических условиях и ночью немыслим без приборов, показывающих положение самолета в воздухе и направление его полета. Устанавливая наиболее рациональные режимы работы двигателя и режимы полета, можно, сделать полет более экономичным, увеличить дальность и продолжительность полета, увеличить срок службы двигателя. Точные показания авиационных приборов, их надежная работа и правильная эксплуатация, обеспечивает требуемую безопасность полета

Контрольные вопросы

  1.  По каким признакам классифицируют авиационные приборы?
  2.  В каких условиях эксплуатируются современные АП и ИВК?
  3.  Каковы принципы построения приборных комплексов?
  4.  Каковы тенденции развития ИВК и чем они продиктованы?
  5.  В чем заключается необходимость преобразования сигналов?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24416. Факторы сложности восстановления систем после тупика 69 KB
  Эксплуатация инфраструктуры безопасности. Эксплуатация инфраструктуры безопасности. Если такое превышение имеет место значит данная строка – это одна из первоочередных целей разработки политики безопасности. Если интегральный риск превышает допустимое значение значит в системе набирается множество мелких огрешностей в системе безопасности которые в сумме не дадут предприятию эффективно работать.
24417. Описание формальной модели ОС для абстрактной микропроцессорной ЭВМ 155 KB
  Структуру ОС в t T можно представить с помощью графа Гt вершинами которого являются элементы Р={P0 Pn} множество процессов и множество ресурсов R={r0 rq} а ребра устанавливают связь между вершинами. ОС является динамически изменяемая система то некоторые элементы в моменты времени t1 t2 принадлежащие Т если t1≠t2 представляют структуру ОС в виде графа Гt1 и графа Гt2. Проследим изменения графа Гt отображая структуру ОС в любой момент времени t T. Определим множество Е как совокупность правил фиксирующих изменение структуры...
24419. Понятие ОС ЮНИКС. Основные преимущества, понятие процесса в ОС ЮНИКС, отличие от предыдущих ОС 1.63 MB
  Система UNIX проектировалась как инструмент предназначенный для создания и отладки новых средств ПО. Эти идеи позволили применить UNIX не только на компьютерах с разной архитектурой но и предали этой ОС такую модульность и гибкость которая явилась основным фактором для расширения и развития самой системы. Основным преимуществом UNIX перед другими системами явилось следующее: Единый язык взаимодействия пользователя с системой вне зависимости от применяемой ЭВМ. При разработке UNIX авторы стремились совместить два несовместимых...
24420. Переадресация ввода/вывода и конвейер, зачем и почему 360.5 KB
  Процессор i486 обеспечивает механизм тестирования кеша используемого для команд и данных. Хотя отказ аппаратного обеспечения кеширования крайне маловероятен пользователи могут включить тестирование исправности кеша в число тестов выполняемых автоматически при включении питания. Примечание: Механизм тестирования кеша уникален для процессора i486 и может не поддерживаться в точности следующими версиями процессоров данной линии. При выполнении тестирования кеша само кеширование должно быть отключено.
24421. Файловая структура ОС ЮНИКС. Основное отличие и преимущество 458 KB
  Структура буфера TLB. Регистры и операции проверки буфера TLB. Структура буфера TLB . Ассоциативный буфера трансляции TLB кеш используемый для трансляции линейных адресов в физические.
24422. Координатор МАКЕ и система управления исходным кодом SCCS 110.5 KB
  Описание взаимозависимостей содержит команды которые должны быть выполнены если обнаружится что некоторый модуль устарел перестал соответствовать действительности. Такие команды обеспечивают реализацию всех необходимых для модернизации модуля действий. В одних системах интерпретатор прост но совокупность команд не образует язык программирования а в других имеются отличные языки программирования на уровне системных команд но выполнение отдельной команды осложнено. Контрольная точка задается для конкретной формы доступа к памяти...
24423. Общая характеристика основных компонентов ОС ПЭВМ 93 KB
  Сетевой уровень занимает в модели OSI промежуточное положение: к его услугам обращаются протоколы прикладного уровня сеансового уровня и уровня представления. Для выполнения своих функций сетевой уровень вызывает функции канального уровня который в свою очередь обращается к средствам физического уровня. Физический уровень выполняет передачу битов по физическим каналам таким как коаксиальный кабель витая пара или оптоволоконный кабель. Канальный уровень обеспечивает передачу кадра данных между любыми узлами в сетях с типовой топологией...
24424. Таймеры счётчики ОМЭВМ 204 KB
  Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м что объясняется сокращением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10мегабитной сетью Ethernet. Если среда свободна то узел имеет право начать передачу кадра. Последний байт носит название ограничителя начала кадра. Наличие двух единиц идущих подряд говорит приемнику о том что преамбула закончилась и следующий бит является началом кадра.