飞行控制系统

第四章自动飞行控制系统早在陀螺仪表出现不久，1914年美国的SPERRY就研制了一种陀螺稳定装置，这种装置开始只是用来保证飞机的姿态稳定，到20世纪30年代发展成可以控制和保持飞机的高度、速度和航迹的自动驾驶仪。20世纪50代后又和导航系统、仪表着陆系统相联系，自动驾驶装置实现了长距离自动飞行和自动着陆。到了20世纪70年代中期，由于计算机的应用使自动驾驶仪和飞机的指引系统组成一综合系统，使飞机的各种传感器数据、指引与控制系统已在飞行管理系统中，从而实现了高程度的自动化。20世纪70年代末期，计算机和控制技术的迅速进展，使自动驾驶仪功能迅速扩展，在现代化的大中型民航客机上，自动飞行控制系通常包括自动驾驶仪、飞行引系统、自动油门系统、偏航阻尼系统、安定面自动配平等。4.1自动驾驶仪的工作原理1．基本原理及组成自动驾驶仪属于一个反馈控制系统，它代替驾驶员控制飞机的飞行。4.1自动驾驶仪的工作原理4.1自动驾驶仪的工作原理自动驾驶仪是利用“反馈”控制原理来实现对飞机运动参数的控制。描述飞机运动的参数通常有三个姿态角(俯仰角、倾斜角、偏航角)、三个角速度(俯仰角速度、倾斜角速度、偏航角速度)、两个气流角(迎角或称攻角、侧滑角)、三个线位移和三个线速度，以及两个航迹角(航迹俯仰角、航迹偏转角）。自动飞行控制系统可在无人参与的情况下自动控制上述部分或全部参数，必要时还可控制马赫数及法向过载等。4.1自动驾驶仪的工作原理自动驾驶仪的基本组成部分包括：①测量元件或称敏感元件——用来测量飞机的运动参数。如速率陀螺测量角速度，垂直陀螺测量飞机的俯仰角、倾斜角或称滚转角、航向陀螺测量飞机的偏航角等。②信号处理元件或称计算元件——把各种敏感元件的输出信号处理为符合控制规律要求的信号，包括有综合装置、微分器j积分器、限幅器、滤波器等。③放大元件——放大上述处理过的信号的元件，一般指功率放大。④执行机构——根据放大元件的输出信号带动舵面偏转的机构，亦称为舵机。4.1自动驾驶仪的工作原理2．自动驾驶仪的主要功用随着自动驾驶仪系统的不断发展，其功能也越来越强大。当自动驾驶仪衔接后，可以实现的主要功能有：①自动保持飞机沿三个轴的稳定(姿态角的稳定)；②接受驾驶员的输入指令，操纵飞机以达到希望的俯仰角、航向角、空速或升降速度等；③接受驾驶员的设定，控制飞机按预定高度、预定航向飞行；④与飞行管理计算机系统耦合，实现按预定飞行轨迹的飞行；⑤与仪表着陆系统(ILS)耦合，实现飞机的自动着陆(CATI，II，III等)。4.1自动驾驶仪的工作原理3．自动驾驶仪的分类自动驾驶仪的常用分类方法是按其控制规律来划分。所谓控制规律通常是指自动驾驶仪输出的舵偏角与信号的静、动态函数关系。按这种划分方法，可分为比例式自动驾驶仪和积分式自动驾驶仪等。现代飞机的自动驾驶仪通过与飞行管理计算机系统交联，与自动油门系统协同工作，可以按照预先制定的飞行计划，实现从起飞后的爬升、巡航、下降、进近直到着陆各飞行阶段上的自动控制。它包括三轴姿态、发动机的推力以及改平并过渡到减速滑跑等控制。现如今，用于民航客运的大型飞机上普遍安装有这类自动驾驶仪系统，具备III类仪表着陆能力。4.1自动驾驶仪的工作原理4．舵回路、稳定回路和控制回路的概念自动驾驶仪工作时，以飞机为控制对象，实现飞机不同参数的控制与稳定。自动驾驶仪实现不同的功能，完成不同的飞行任务，要求组成不同的反馈控制回路。自动驾驶仪系统的工作回路通常由以下四个回路组成：（1）同步回路作用：在自动驾驶仪衔接时，保证系统输出为零，即自动驾驶仪的工作状态与当时飞行状态同步。基本组成：现代飞机上自动驾驶仪的同步回路通常由两部分组成：一是FCC内部的同步，二是作动筒的同步。4.1自动驾驶仪的工作原理4.1自动驾驶仪的工作原理(2)舵回路自动飞行控制系统根据输入信号，通过执行机构控制舵面。为改善舵机的性能，通常执行机构引入内反馈(将舵机的输出信号引到输入端)，形成随动系统或称伺服回路，简称为陀回路。舵回路由舵机、放大器及反馈元件所组成。反馈元件包括测速机、位置传感器，构成舵回路的测速反馈和位置反馈。舵回路可用伺服系统理论来分析，其负载是舵面的惯量和作用在舵面上的气动力矩(铰链力矩)。4.1自动驾驶仪的工作原理4.1自动驾驶仪的工作原理(3)稳定回路自动驾驶仪与飞机组成一个回路，该回路的主要功能是稳定飞机的姿态，即稳定飞机的角运动，称为稳定回路。由于该回路中包含了飞机，而飞机的动态特性又随飞行条件而变化，使稳定回路的分析变得较为复杂。(4)控制回路稳定回路加上测量飞机重心位置或速度信号的元件以及表征飞机空间位置几何关系的运动学环节，组成更大的回路，称为控制回路或制导回路。其作用是实现对飞机重心的运动即飞机运动轨迹的控制。4.1自动驾驶仪的工作原理4.1.2角位移式自动驾驶仪的控制规律及调节原理角位移自动驾驶仪可以根据控制规律实现飞机三个姿态角的稳定。所谓控制规律就是指空制器的输人量与输出量之间的关系。自动驾驶仪是一种能够自动保持或改变飞机运动状态的自动控制器，其输入量与输出量之间的关系叫做自动驾驶仪的控制规律。4.1.2角位移式自动驾驶仪的控制规律及调节原理目前角位移自动驾驶仪的控制规律可以分为比例式和积分式两大类。比例式控制规律指舵面偏转角与自动驾驶仪输入信号(被控量的偏差)之间成比例关系；积分式控制规律是指舵面偏转角与自动驾驶仪输入信号(被控量的偏差)之间成积分关系，或舵面偏转角速度与自动驾驶仪输入信号(被控量的偏差)之间成比例关系。采用比例式控制规律构成的自动驾驶仪称做比例式自动驾驶仪；采用积分式控制规律构成的自动驾驶仪称做积分式自动驾驶仪。.比例式自动驾驶仪又叫有差式自动驾驶仪；积分式自动驾驶仪又叫无差式自动驾驶仪。4.1自动驾驶仪的工作原理自动驾驶仪控制飞机有两种工作状态，一种是稳定状态，另一种是操纵状态。所谓稳定状态，是指稳定给定的基准状态，也就是稳定飞机沿三个轴的角运动，其目的是使飞机的飞行尽量不受外界干扰的影响，自动驾驶仪这时的作用是消除飞机相对给定基准的偏离。所谓操纵状态是指外加一个控制信号去改变飞机原基准状态的运动。控制信号相当于在原基准信号的基础上再附加一个给定的增量信号，该信号可以来自驾驶员在控制面板上的控制，也可以来自其他系统如飞行管理计算机等。利用操纵状态就可以自动地控制飞机按所期望的姿态飞行了。4.1自动驾驶仪的工作原理本节将以角位移自动驾驶仪的俯仰通道为例说明姿态角俯仰控制系统的原理。如图所示为俯仰角()自动控制系统的方框图。其中为垂直陀螺仪感受到的俯仰角信号输出电压为控制电压，和经综合解算后送到舵回路(其传递函数为)。其中各参数的含义如下：为飞机俯仰角变化量；为垂直陀螺感受到飞机俯仰角变化后的输出电压；为垂直陀螺感受到的单位姿态角变化对应的输出电压值；为实现飞机操纵状态的给定电压值。1*UKUgU()GsUU1KgU4.1自动驾驶仪的工作原理4.1自动驾驶仪的工作原理1．比例式自动驾驶仪的控制规律忽略舵回路的惯性，则其传递函数近似为比例环节，那么，不难得出升降舵的舵偏角的增量：其中由此可见，升降舵的舵偏角增量与俯仰角偏差成比例关系。具有这种控制律的姿态角自动控制器称为比例式自动驾驶仪。又因为这种比例关系完全靠舵回路的位置反馈来实现的，而位置反馈又称硬反馈，所以比例式自动驾驶仪也称“硬反馈式自动驾驶仪”。()GsK1*()()egggKUUKKKUL11,ggULKKK()g4.1自动驾驶仪的工作原理稳定状态下工作原理分析如下：设飞机以一定速度等速水平直线飞行，飞机的升力和重力保持平衡，初始迎角和俯仰角相同。如果受到某一干扰后(如抬头)，出现俯仰角偏差，为初始俯仰角。感受飞机姿态的垂直陀螺仪或惯性基准系统检测出俯仰角增量，并输出与其成比例的电压信号，经综合装置加到舵回路的输入信号为。舵回路输出将驱动升降舵向下偏转即0，由升降舵向下偏转产生气动力矩使飞机低头，角逐渐减小。适当选择可以保证趋于零时，也趋于0，保证飞机继续进行水平飞行，其修正过程如下图所示。0001*UKue1LKKe4.1自动驾驶仪的工作原理4.1自动驾驶仪的工作原理g1ggUKe操纵状态下作用原理为：在水平飞行过程中，若想改变飞机的姿态使其保持一个新的俯仰角飞行时，驾驶员通过操纵输人装置，外加控制信号0，则有输入信号经综合放大送到舵回路，舵回路在此输入信号的作用下控制升降舵向上偏转，即O，从而产生抬头力矩，俯仰角增大。垂直陀螺或惯性基准系统感受到俯仰角的逐渐增大，并送出一负反馈信号逐渐与控制信号相平衡。通过适当选取参数，可以使得当飞机的俯仰角变化量理想俯仰角变化量时，舵回路的输入信舵偏角量,飞机将保持在新的姿态角上，其控制过程如下图所示。1UKLg0U0e4.1自动驾驶仪的工作原理4.1自动驾驶仪的工作原理需要指出的是，对于比例式自动驾驶仪，当存在常值干扰力矩Mf(趋向于使飞机抬头或低头)时，飞机在自动驾驶仪控制下进人稳定状态后，必然存在一个升降舵的舵偏角增量。以抵消Mf的影响，而此时不能为零，以产生升降舵的舵偏角增量。这就是所谓的稳态误差，不难得出：对于比例式自动驾驶仪与飞机构成的系统，用自动控制理论描述时属于零型系统。零型系统必存在常值干扰下的稳态误差。egUUeeL4.1自动驾驶仪的工作原理要想减小稳态误差，通过增大的方法可以实现，但飞机修正时升降舵的偏转量也会随之增大，因而产生较大的力矩作用到飞机上使其产生较大的俯仰角速度。由于飞机的惯性较大，尽管当时，即舵偏角回到零位，但飞机此时的俯仰角速率并不为零，以至于向相反方向俯仰从而产生振荡。要想减小振荡，必须引人反馈信号，即飞机俯仰角变化率，增大阻尼。Le0e0e.0fgmeMQsbCL4.1自动驾驶仪的工作原理2．带有一阶微分环节的比例式自动驾驶仪控制规律由自动控制原理中的测速反馈的概念可知，如果适当地在控制信号中引入系统输出量的变化率信号，就可以增大系统的阻尼，减小响应的超调量。所以在上述比例式自动驾驶仪的基础上，如果引入俯仰角速率负反馈信号，就可以产生附加舵偏角，形成与俯仰角速率反向的附加操纵力矩，对飞机的姿态运动起阻尼作用，防止振荡，这就构成了带有一阶微分环节的比例式自动驾驶仪。与此相应的控制律为：式中：——升降舵的舵偏角增量；——俯仰角增量；——俯仰角速率；和——分别为传递系数。由控制原理可知，这是一个典型的PD控制。..()egLLe.L.L4.1自动驾驶仪的工作原理4.1自动驾驶仪的工作原理上图所示分别为无测速反馈和有测速反馈时俯仰角随时间的变化规律，引入速率反馈信号后所产生的阻尼效果是显而易见的。在图4．1—10中根据的变化规律可画出的变化规律，再根据控制律可画出相应舵偏角曲线。仔细对图加以分析可知，在由正值减小的过程中，为负值，所产生的舵偏角也是负值，因而在仍为正值的t1时刻舵就已提前回到了基准位置，即=0；而当=0的t2对刻，为负值，产生抬头力矩，防止飞机俯冲，这就是所谓的人工阻尼。在自动驾驶仪中速率信号由角速率陀螺仪给出，是微分信号，也就是自动控制理论中所谓的测速反馈，其作用会使舵偏转信号的相位超前于位置信号，因而速率信号的作用叫做“提前反舵”，反映了飞行控制系统中引入俯仰速率信号的物理本质。...12()egeeLL.ee4.1自动驾驶仪的工作原理进一步分析控制规律表达式我们不难发现，它不仅表达了舵偏角与飞机角运动参数之间的数量关系，同时还表达了它们之间的方向