自动飞行控制系统

航空自动化学院1自动飞行控制系统航空自动化学院2绪论第一节飞行器的自动飞行一、问题的提出1、飞机的控制过程动驾驶驶或自人工驾角偏转舵面力矩姿态角运动飞机线运动飞机力姿态反馈方向舵副翼、升降舵、轨迹轨迹反馈航空自动化学院3第一节飞行器的自动飞行2、人工操纵过程陀螺地平仪飞机升降舵驾驶杆胳膊手大脑眼睛驾驶员航空自动化学院4第一节飞行器的自动飞行3、自动驾驶过程飞机升降舵执行机构放大计算装置敏感元件自动驾驶仪航空自动化学院5第一节飞行器的自动飞行4、飞行控制：人工操纵自动控制：自动控制是指在没有人直接参与的条件下由控制系统自动控制飞行器（这里主要是指飞机和导弹）的飞行。这种控制系统成为飞行自动控制系统。自动控制的基本原理就是自动控制理论中最重要、最本质的“反馈控制”原理。5、自动飞行控制系统的作用对飞行器进行稳定引导/制导飞行器：把飞行器按照一定的方式引导或制导到一定的位置改善飞行器的静、动态性能航空自动化学院6第一节飞行器的自动飞行二、控制面1、控制飞行器的目的是改变飞行器的姿态或空间位置，并在受干扰情况下保持飞行器的姿态或位置。因而必须对飞行器施加力和(或)力矩，飞行器则按牛顿力学定律产生运动。2、作用于飞行器而与控制有关的力和力矩主要是偏转控制面（即操纵面）产生的空气动力和力矩。一般飞机有三个控制面：升降舵、方向舵和副翼。3、由于航空技术的发展，仅靠改善飞机的气动布局和发动机的性能难以达到对飞机性能的日益提高的要求。60年代飞机设计的新思想产生了，即在设计飞机的开始就考虑自动控制系统的作用。基于这种设计思想的飞机称为随控布局飞行器（ControlConfiguredVehicle简称CCV）。这种飞机有更多的控制面，这些控制面协同偏转可完成一般飞机难以实现的飞行任务，达到较高的飞行性能。当然控制面增多将使飞机自动控制系统的设计更困难。航空自动化学院7第一节飞行器的自动飞行航空自动化学院8第二节舵回路、稳定回路和控制回路航空自动化学院9第二节舵回路、稳定回路和控制回路舵回路：由舵机加上反馈所形成的随动系统；其作用是改善舵机工作性能。稳定回路：由舵回路加上飞机姿态反馈元件、放大计算装置组成飞机姿态自动驾驶仪，并与飞机形成的回路；其作用是稳定与控制飞机姿态。控制（制导）回路：由稳定回路加上飞机轨迹反馈元件、放大计算装置组成飞机轨迹自动驾驶仪，并与飞机形成的回路；其作用是稳定与控制飞机轨迹。航空自动化学院10第一章飞行原理飞机控制系统的核心问题是研究由控制系统和飞行器组成的闭合回路的静、动态性能，为此必须建立控制系统和飞行器的数学模型，其形式可以是微分方程、传递函数或状态空间表达式等。飞行原理是研究飞行器运动规律的学科，属于应用力学范畴。本章主要讨论在大气中飞行的有固定翼飞机的运动特性，并简要介绍有关空气动力学的基本知识。航空自动化学院11第二节空气动力学的基本知识一、流场（一）流场的描述可流动的介质称为流体，流体所占据的空间为流场。描述流场的参数主要有：流动速度、加速度以及流体状态参数（密度、压强、温度等）。空气并非连续介质，因为空气分子间有自由行程。但这微小的自由行程与飞行器的几何尺寸比较起来，完全可示为无限小，而且我们所研究的气流速度、加速度、密度、压强、温度等物理量，是统计意义上的气体分子群参数，而不是单个分子行为的描述。因此，当我们说流场中某点的流速和状态参数时，是指以该点为中心的一个很小邻域中的分子群，称为流体微团。（二）流线流场中存在一类曲线，在某个瞬间，曲线上每点的切线与当地的流速方向一致，这类曲线称为流线。因此，流体微团不会穿过流线，流线也不会相交。（三）流管由于流体微团不会穿过流线，我们可以想象许多条流线围成管状，管内的流体只在管内流动而不流出，管外的流体也不会流入，此管称为流管。航空自动化学院12第二节空气动力学的基本知识III航空自动化学院13第二节空气动力学的基本知识（四）定常流与非定常流如果流场中各点的速度、加速度以及状态参数等只与几何位置有关而不随时间变化称为定常流。如果流场中各点的速度、加速度以及状态参数等不仅与几何位置有关而且随时间变化，则称为非定常流。空气动力学研究的大部分问题是定常流问题。（五）流动的相对性依据运动的相对性原理，不论是物体静止、空气运动，还是物体运动、空气静止，只要物体与空气有同一速度的相对运动，流场中各点的物理量以及作用于物体的空气动力就是完全相同的。因此，在讨论物体运动、空气静止情况下的流场中各点的物理量以及作用于物体的空气动力问题就可以等价于讨论物体静止、空气运动情况下的流场中各点的物理量以及作用于物体的空气动力问题。航空自动化学院14第二节空气动力学的基本知识二、连续方程分别以，，，和，，，表示截面Ⅰ和Ⅱ上的气流速度，密度，截面积和流量。由于空气流动是连续的，处处没有间隙，且我们讨论的是定常流动，即流场中均无随时间的分子堆积，因而单位时间内，流入截面积Ⅰ的空气质量必等于流出截面积Ⅱ的空气质量。即：由于截面Ⅰ和Ⅱ是任意取得，上式可写成：（常数）这就是连续方程，是质量守恒原理在流体力学中的应用。1V11A1m2V22A2m22221111AVmAVmmVA航空自动化学院15第二节空气动力学的基本知识也可以写成微分形式：在飞行速度不大的情况下，绕飞行器流动的流场各点流速差异不大，温度、压强变化很小，因而密度变化也很小，可以认为空气是不可压缩的流体，=常数。于是连续方程可以简化为：常数此时表明，流管截面积大的地方流速小，流管截面积小的地方流速大。0AdAVdVdVA航空自动化学院16第二节空气动力学的基本知识三、伯努利方程（能量守恒定律）在低速、不可压缩、定常流中取一流管，密度为常数，任意截取两个相邻的截面Ⅰ和Ⅱ，满足：此式称为伯努利方程，表示静压与动压之和沿流管不变。动压的物理意义是：大气分子做有规则运动而具有对外做功的能量；静压的物理意义是：大气分子做杂乱无章运动而具有对外做功的能量。)(212常数CVp航空自动化学院17第二节空气动力学的基本知识上式可写为：表示当动压为零时的静压大小。这表明，在同一流管中，流速大的地方静压小，流速小的地方静压大，静压最大处的流速为零，即为总压。0221PVp0p航空自动化学院18第二节空气动力学的基本知识四、马赫数马赫数定义为气流速度和当地音速之比：由空气动力学可知，空气中的音速：是空气的绝对温度。流场中各点的流速不同则各点的温度不同，因而各点的音速也就不同。在定常流中，音速和马赫数都是几何位置的函数。)(V)(aaVMTa20T航空自动化学院19第二节空气动力学的基本知识五、临界马赫数当小于音速的气流经过机翼时，翼面上的各点流速是不同的，有的地方的流速比远前方的小，有的地方比远前方的大。若迎面气流速度逐渐增大，则翼面上流速的最大值也会增大，该处的温度则要降低，因而音速也降低。当迎面气流的速度达到某一值时,翼面上最大速度处的流速等于当地音速，此时我们把远前方的迎面气流速度与远前方的空气音速之比，定义为该机的临界马赫数。crMVacrM航空自动化学院20第二节空气动力学的基本知识VaaVmax航空自动化学院21第二节空气动力学的基本知识飞机飞行速度的范围划分如下：飞行马赫数为飞行速度与远前方空气音速之比，时为低速飞行；为亚音速飞行；为跨音速飞行；为超音速飞行；为高超音速飞行。M5.0McrMM5.05.1MMcr55.1M5M航空自动化学院22第三节飞行器空间运动的表示、飞机操纵机构一、坐标系为了确切描述飞机的运动状态，必须选定适当的坐标系。例如，飞机相对于地面位置的确定须采用地面坐标系；飞机的转动运动的描述可用机体轴系表示；飞机轨迹运动的描述可采用速度轴系。（一）地面坐标系（地轴系）（二）机体坐标系（体轴系）（三）速度坐标系（速度轴系）gggggzyxoSoxyzSbaaaazyoxS航空自动化学院23第三节飞行器空间运动的表示、飞机操纵机构gogygzygxzo航空自动化学院24第三节飞行器空间运动的表示、飞机操纵机构二、飞机的运动参数（一）飞机的姿态角三个姿态角表示机体轴系与地面轴系的关系。1、俯仰角机体轴与地平面间的夹角。以抬头为正。2、偏航角机体轴在地面上的投影与地轴间的夹角。以机头右偏航为正。3、滚转角又称为倾斜角，指机体轴与包含机体轴的铅垂面的夹角。飞机向右倾斜为时为正。航空自动化学院25第三节飞行器空间运动的表示、飞机操纵机构（二）飞机航迹角三个航迹角表示速度坐标系与地面坐标系的关系。1、航迹倾斜角飞行速度矢量与地平面间的夹角。以飞机向上飞行时为正。2、航迹方位角飞行速度矢量在地平面上的投影与间的夹角。以速度在地面的投影在之右时为正。3、航迹滚转角速度轴与包含速度轴的铅垂面的夹角。以飞机的右倾斜为正。ggxoggxo航空自动化学院26第三节飞行器空间运动的表示、飞机操纵机构（三）气流角两个气流角表示速度向量与机体轴系的关系。1、迎角速度向量在飞机纵向对称面上的投影与机体轴的夹角。以速度向量的投影在机体轴之下为正。2、侧滑角速度向量与飞机纵向对称面的夹角。以速度向量处于对称面之右为正。航空自动化学院27第三节飞行器空间运动的表示、飞机操纵机构xyzo航空自动化学院28第三节飞行器空间运动的表示、飞机操纵机构三、飞行器运动的自由度把飞机视为刚体，飞机在空间的运动有六个自由度，即重心的三个移动自由度和绕重心的三个转动自由度。对飞机来说，重心的三个移动自由度是速度的递减运动、上下升降运动和左右侧移运动。三个转动自由度是俯仰角运动、偏航角运动和滚转角运动。1、纵向运动——包括速度的增减、重心的升降和绕轴的俯仰角运动。2、横侧向运动——简称侧向运动，包括重心的侧向运动，绕的偏航角运动和绕轴的滚转角运动。oyozox航空自动化学院29第三节飞行器空间运动的表示、飞机操纵机构四、飞机的操纵机构aNMyxzL脚蹬oxyz左右aWrWeW驾驶杆脚蹬航空自动化学院30第三节飞行器空间运动的表示、飞机操纵机构升降舵偏转角用表示，规定升降舵后缘下偏为正，的正向偏转产生的俯仰力矩为负值，即低头力矩；副翼偏转角用表示，规定右副翼后缘下偏（左副翼后缘随同上偏）为正，正向偏转产生的滚转力矩为负值，即左滚转力矩；方向舵偏转角用表示，规定方向舵后缘向左偏转为正，正向偏转产生的偏航力矩为负值，即左偏航力矩。eeMaaLrrN航空自动化学院31第三节飞行器空间运动的表示、飞机操纵机构驾驶员通过驾驶杆、脚蹬和操纵杆系操纵舵面。规定：驾驶杆前推位移为正（此时亦为正）；左倾位移为正（此时亦为正）；左脚蹬向前位移为正（此时亦为正）。油门杆前推位移为正，对应于加大油门从而加大发动机推力；反之为负，即收油门，减小发动机推力。eWeaWarWrT航空自动化学院32第四节关于稳定性和操纵性的概念飞机的飞行运动可分为基准运动和扰动运动。基准运动是指各运动参数完全按预定的规律变化。扰动运动是指由于受到外干扰而偏离基准运动的运动。外干扰可能来自大气的扰动，发动机推力的改变，或驾驶员的偶然操纵等。在外干扰作用停止之后，至少在某一段时间内，飞机不按基准运动的规律运动而是按扰动运动的规律运动。经过一些时间，若飞机可能从扰动运动恢复到基准运动，则称基准运动是稳定的。若扰动运动越来越离开基准运动，则称基准运动是不稳定的。若扰动运动既不恢复也不远离基准运动，则称基准运动是中立稳定的。这就是飞机的稳定性。航空自动化学院33第四节关于稳定性和操纵性的概念飞机的稳定性分为静稳定性和动稳定性。静稳定性是指在外干扰停止作用的最初瞬间，鉴别飞机的运动参数变化的趋势。在外干扰停止作用的最初瞬间，如果靠飞机本身的气动特性（驾驶员不偏转舵面）使飞机的运动参数有回到基准运动的趋势，则说明飞机具有静稳定性；在外干扰停止作用的最