飞机飞行控制课件

飞机飞行控制绪论3飞行控制的历史1891年，海诺姆.马克西姆设计并制造的飞机已经装有用于改善纵向稳定性的控制系统。早期的飞机基本上没有固有稳定性，靠飞行员的能力来保证飞机的稳定。4飞行控制的历史后来设计的飞机一般具有一定的固有稳定性，但没有保证。1920年以后，飞机的稳定性靠外形布局及重心定位来保证。5第一代战斗机多采用后掠翼布局武器以航炮为主作战方式以尾后攻击为主超音速操纵系统为机械传动方式6典型杆式操纵机构7第二代战斗机三角翼、后掠翼武器：第一代空空导弹作战方式：视距内、尾后攻击M2，H20000m操纵系统大量采用：助力器马赫数配平机构增稳器阻尼器电液系统8典型助力器及力臂调节器9第三代战斗机布局：翼身融合、边条放宽静稳定性武器：近距、超视距空空导弹作战方式：格斗、超视距空战模拟式和数字式电传控制系统（FBW，flybywire）。按其作用可以分为两种：控制增稳系统自动驾驶仪10典型电传飞控系统11第四代战斗机布局：隐身气动一体化设计武器：先进格斗导弹、超远程空空导弹、精确制导火飞推一体化、主动控制技术……作战方式：？12驾驶员vs飞行控制系统驾驶员的缺点有限的反应速度有限的感知能力会紧张、疲劳驾驶员的优点学习能力应付意外的能力飞行控制系统：在飞行过程中，利用自动控制系统，能够对飞行器构形、飞行姿态和运动参数实施控制的系统。13本课程的目的飞机引入飞行控制系统的飞行力学机理：飞行控制系统如何改变飞机的模态特性；不同的反馈改变不同的模态特性；飞机、飞控、驾驶员组合的动力学特性分析：飞机＋控制系统特性的分析方法；人机系统的特性分析；选择飞行控制系统的控制律的基本原理：常见控制系统类型及其分析、选择；14本课程的地位以自动控制原理、飞行动力学为基础的一门提高课程；从事飞行器设计、飞行动力学工作的基础之一。飞机本体发动机……武器系统飞行控制需求分析，任务分解飞机综合评估15内容引论飞行控制系统概述(自学)飞机的闭环动态特性人机闭环系统分析各类飞行控制系统的分析16考核课堂、作业：40%考试（闭卷）：60%背景知识18控制过程的描述飞行控制（驾驶员操纵飞机）过程的物理描述开环操纵闭环操纵飞行员控制系统飞机本体Fse舵偏角杆位移运动参数飞行员控制系统飞机本体Fse舵偏角杆位移运动参数com外环内环测量及显示－19传递函数线性系统零初始条件下拉氏变换输出量比输入量优点：将时域转换成频域将微分方程转换为代数方程20弹簧振子系统mSFSYmkSmfS)()()(2222211)()()(SSmkSmfSSFSYSGmkfmk2,ymyfykFFymyFymkymfy)(mkfyF零初值拉氏变换21弹簧振子的振荡成因弹簧的位移扰动恢复力弹簧系数k阻尼力阻尼系数f阻尼mkfx频率mfmknn2,形成振荡的因素决定了系统频率阻碍振荡的因素决定了系统阻尼22纵向模态的物理成因a0)(,aaLCGL)(,aaMIMyqqMsinGV频率频率阻尼uXu阻尼短周期长周期23b0Lbb0Nbb0Lrr0b0f0Lpp0滚转收敛Npp0Nrr0p0p00p0rr0荷兰滚模态荷兰滚频率f0y0螺旋模态Gsinf0b0Ybb0荷兰滚阻尼荷兰滚阻尼24飞机的振荡模态振荡模态频率的决定因素阻尼的决定因素弹簧振子弹簧系数阻尼系数短周期纵向静稳定导数Ma纵向阻尼导数Mq长周期以Zu为主以Xu为主荷兰滚航向静稳定性导数Nb偏航阻尼导数等Nr、Yb25闭环系统G(S)kX(S)Y(S)_)(1)()(SGSGSW)()()(SDSNSG)()()()(SNSDSNSW)()()()(SNkSDSNSW单位负反馈（k=1）的传递函数若则对于反馈系数为k的负反馈26反馈控制的特点采用反馈控制不改变传递函数的分子多项式N(S)，仅改变分母多项式（特征方程）从物理角度讲，反馈控制改变了模态特性，而对模态比没有影响。就是说，加入反馈后飞机各运动参数之间的幅值比和相位差不变。)()()()(SNkSDSNSW)()()(SDSNSG27根轨迹法在复平面内判断反馈系数变化引起的闭环特征根变化情况若特征方程(S)=D(S)+kN(S)=0当k=0时，D(S)=0，对应系统极点当k=时，N(S)=0，对应系统零点Matlab：rlocus，rltool-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2-10-50510RootLocusRealAxisImagAxis28根轨迹分析每一对共轭复根表示一个振荡模态每一个实跟对应着一个非周期（单调）模态虚轴上的特征根，=0，等幅振荡左半平面的根对应着收敛的模态，右半平面发散ImReImRe29根轨迹分析21ImReABC0222SS21jcos典型二阶环节特征根矢径为，矢径越长，频率越高，越大，阻尼比越大30频率特性传递函数G(S)中，S用j（对应于正弦振荡）代入，得)()(jAejG))((2)(212222SSkSSknSGnspnspnspspnspeztjeeet0)(这个公式表示系统输入（正余弦）谐波振荡时，系统反应中的强迫振荡分量（时域）纵向短周期近似传递函数：若输入为正弦波：31频率特性拉氏变换后得：于是：海维赛展开：强迫振荡部分：对比：jSSee1)(0))()((1)(2102SSjSkSnenspz]|))((1|))((1|))((1[)(2211122102tStStjjSenspzeSjSeSjSeSSktnjStjenspzSSektn|))((1)('2102))(()(212SSkSGnsp32对数频率特性频率特性曲线（Bode图）,半对数坐标对数幅频特性对数相频特性0.11.01010020log10A(dB)0.11.010100(deg))()()(jeAjG)()()('jGttnez)()()('jGttnez33对数频率特性曲线的优点若系统由一系列串联而成，则对数频率特性曲线可以叠加)()()(21SGSGSG2121)(jjjeAeAAejG2121011010log20log20log20AAAG1G2…G34对数频率特性曲线的优点可叠加。线性系统可以分解为一阶、二阶环节和微分、积分、比例等环节的组合KSSSTSSGi,,)2(,)1()(11221因此，可以作出典型环节的曲线，再进行叠加频带宽。通常飞机与飞控系统组合后的频带很宽，用Bode图可以画在一张图上，方便实用。35典型环节的对数频率特性G=K比例环节0.11.01010020log10A(dB)0.11.010100(deg)20log10K0.11.01010020log10A(dB)0.11.010100(deg)20dB/dec90deg0.11.01010020log10A(dB)0.11.010100(deg)40dB/dec180degG=1/(1+TS)一阶滞后(惯性)G=1/(1+2S/+S2/2)振荡环节36手绘Bode图的过程)20)(1(3SSS37手绘Bode图的过程左侧渐进线有问题38手绘Bode图的过程-70-60-50-40-30-20-10Magnitude(dB)10-1100101102103-90-450Phase(deg)BodeDiagramFrequency(rad/sec)将S以0代入G39控制系统组成飞机本体驾驶员传感器舵回路控制系统机械模拟式电传数字式电传光传陀螺三自由度陀螺(角度)二自由度陀螺(角速度)加速度计(测量过载)空速管气流角度(迎角、侧滑角)速度、M数高度传感器气压无线电大气计算机40作业自学第一章：§1－3～§1－6内容有条件的可以练习使用Matlab绘制简单的根轨迹和Bode图不要求上交飞机闭环动态特性——纵向反馈控制及其闭环特性42飞机纵向常见问题战斗机高空飞行时阻尼不足高速飞行静稳定性高或低速不足战斗机放宽静稳定性后纵向静稳定性不足，甚至短周期发散长周期发散更关心短周期模态43纵向反馈控制控制系统飞机本体舵偏角运动参数指令误差－44纵向运动参数及控制面运动参数（反馈信号）控制面俯仰角俯仰角速度飞行速度飞行高度迎角法向加速度quH(-z)anz(az)三自由度陀螺二自由度陀螺空速管气压／无线电高度风标加速度计升降舵（平尾）偏角(elevator)油门(throttle)襟翼偏角鸭翼偏角推力矢量ETFCP45纵向传递函数1)2)(2()1)(1()()()(222221pppspspspUUUeUSSSSTSTSASSUSGe其中sp短周期阻尼比sp短周期频率p长周期阻尼比p长周期频率短周期（shortperiod）0)1)(1(022122spspspspspTSTSSS0222pppSS长周期（phugoid）46纵向传递函数2)2)(2()2)(1()()()(222222pppspspspeSSSSSSTSASSSGeaaaaaaa)2)(2()1)(1()()()(222221pppspspspeSSSSTSTSASSSGe)()()()()()(SSGSSSSSqSGeeeeq00)]()([1)()]()([)()()(USGSGSSSUSSSSHSGeeeeeHaa47俯仰角反馈KGe（S）c－ee48反馈系数符号的确定KGe（S）c－ee)2)(2()1)(1()()()(222221pppspspspeSSSSTSTSASSSGeK与A同号49俯仰角反馈系数KGe（S）c－eeKGe（S）c－eceKK0Ge（S）－ece－KK0K050根据特征方程系数分析闭环稳定性根据传递函数，得到系统的闭环特征方程(S)=D(S)-KN(S)=0与开环特征方程D(S)=S4+a1S3+a2S2+a3S+a4=0相比，只改变了后三项的系数a2、a3、a4，而这三个系数主要影响长周期模态的特性)2)(2()1)(1()()()(222221pppspspspeSSSSTSTSASSSGe51俯仰角反馈的闭环根轨迹俯仰角反馈的效果：改善长周期阻尼短周期阻尼变差ImRe),(spsp),(pp11T21T52算例——俯仰角反馈根轨迹-10-8-6-4-20246-50-40-30-20-1001020304050RootLocusRealAxisImagAxis-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.2-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.2RootLocusRealAxisImagAxisK=0.0553俯仰角速率q反馈与俯仰角反馈相比，在俯仰角速率反馈改变了特征方程的系数a1、a2、a3，这同时改变了长周期、短周期的模态特性。)()()()()()(SSG