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1、飞行控制系统,陈澜第二节课(20160316)(feikong),复习 1.2 飞行器的基本分类及组成,1.2.2 航空器-飞机的组成 飞机是主要的、应用范围最广的重于空气的航空器。飞机具有机身、机翼、动力装置、起落架和稳定操纵机构等几个主要部分组成。机身是飞机的躯体，他将机翼、尾翼、动力装置、起落架等部件连成一个整体，构成飞机。,复习 1.2.2 航空器-飞机的组成,复习 1.2.2 航空器-飞机的组成,机身：主要用来装载乘员、旅客、武器、货物和机载设备。机翼：是飞机产生升力的主要部件，以支持飞机在空中飞行。稳定操纵机构：包括水平尾翼、垂直尾翼、副翼、升降舵、方向舵等几个主要部件，它用来维持
2、飞机在空中飞行的稳定和平衡，控制飞机的姿态和方向。起落架：用于支撑飞行和进行起飞、着陆时的滑跑。动力装置：是飞机上产生推力和拉力，推动飞机前进。它包括发动机及其相关的附件和系统。,复习 1.2.2 航空器-飞机的组成,飞机的典型操纵方法是：俯仰操纵（绕飞机横轴的运动）：靠飞行员推、拉驾驶杆或驾驶盘，带动升降舵偏转来完成的；侧向操纵（绕飞机纵轴的运动）是靠飞行员压杆，带动副翼偏转（或打开扰流片）来完成的；方向操纵（绕飞机立轴的运动）是靠飞行员蹬脚蹬板，带动方向舵偏转来完成的。驾驶杆和脚蹬板与各操纵翼面之间，通过钢索（软式）、或连杆（硬式），或二者兼用（混合式）来传动的。,复习 1.3.1 飞行自
3、动控制系统的定义,自动飞行控制系统 自动飞行控制系统（Automatic Flight Control System,AFCS）：“自动控制，人不直接参与控制过程。直接操纵者不是人，而是一个自动装置或一个自动控制系统，该装置或系统是按照人的意图，依据基本控制理论和工作原理构成的。这一类系统包括自动驾驶仪、驾驶杆和驾驶盘操纵、自动油门杆装置、结构模态控制或类似的控制器。,1.3.1 飞行自动控制系统的定义,由上述国军标内容可以看出，飞行控制系统是在人工与自动驾驶基础上发展起来的一种飞机系统，一般由不同功能的分系统和部件组成，能部分或全部地代替驾驶员，控制飞机角运动、重心运动（航迹运动）和飞行速度
4、、改变飞机的几何形状（结构与模态），并能改善飞行品质与保障飞行安全的控制系统。飞行控制系统的分系统有：飞机系统、传感器分系统、导航分系统、控制显示分系统、飞行控制计算机、飞机操纵伺服系统、燃油系统、自动配平与自动回零分系统、机内自测试分系统等。,1.3.2 飞控系统的基本组成与自动飞行原理,1）飞控系统的基本组成：人操纵飞机的过程 通过飞行员看仪表大脑判断手脚动作调整飞机。在大脑中实现负反馈的过程，这是一个反馈系统即为闭环系统。,1.3.2 飞控系统的基本组成与自动飞行原理,自动飞行控制过程 若用自动控制系统代替飞行员操纵飞机则上图改为：,1.3.2 飞控系统的基本组成与自动飞行原理,2）自动
5、飞行原理 飞机偏离原始状态，敏感元件感受到偏离方向和大小，并输出相应信号，经放大、计算处理，操纵执行机构（舵机），使控制面（如升降舵面）相应偏转。由于整个系统是按负反馈的原则连接的，其结果是使飞机趋于原始状态。由敏感元件、综合装置、放大元件、执行元件就构成了飞控系统的核心称为自动驾驶仪。在飞机调整中，不断与给定要求相对比，按差值调节，从而实现了负反馈的控制过程。,1.3.3 飞控系统的目的和作用,控制器控制的目的：（1）改变飞机（或飞行器）的姿态或空间位置（2）抗干扰即飞机受干扰作用时，控制器可保持飞机的姿态或位置不变。实现上述目的的方法：通过给飞机施加力和力矩来完成，这力和力矩能使飞机的姿态
6、与位置保持或改变。如何给飞机施加力和力矩：靠飞机上的控制面偏转产生空气动力与力矩,如何给飞机施加力和力矩,实现控制目的的方法,控制器控制目的,（1）必要条件：控制面 升降舵纵向运动 副 翼侧向运动 方向舵侧向运动（2）控制设备-执行机构：如何偏转这些飞机上的控制面？靠执行机构（如：舵机）,1.3.3 飞控系统的目的和作用,飞行控制系统研究涉及内容,对象的建模与分析,控制器的设计,闭环系统分析,1.3.3 飞控系统的目的和作用,（1）改善飞机飞行品质固有特性：改善飞机的固有特性（阻尼特性、频率特性），提高飞机稳定性。操纵、控制特性：减轻飞行员的负担扰动特性，主要改善飞行器对大气紊流的响应特性；大
7、扰动的控制特性 如单侧发动机停车，投载荷等大扰动（2）协助航迹控制（3）全自动航迹控制（4）监控和任务规划,1.3.3 飞控系统的基本回路,典型的飞行控制系统一般由下列四个反馈回路组成：舵回路：阻尼增稳回路稳定回路（姿态控制回路）控制回路（导航制导回路）,1.3.3 自动飞行控制系统的基本回路,1.3.3 飞控系统的基本回路,1）舵回路（又称小回路）（伺服回路）由舵机的输出端反馈到输入信号端（用以控制舵面）构成的回路，是组成执行机构的主要部分。是一随动系统也称操纵面伺服机构（Control Surface Actuation System）自动控制舵面的偏转。如图所示：,1.3.3 飞控系统的
8、基本回路,组成：放大器、舵机、反馈元件作用：改善舵回路特性舵回路负载：舵面的惯量，和作用在舵面上的气动力矩（铰链 力矩）输入量是飞机控制指令综合控制信号，输出量是舵机带动舵面偏转的角度和角速度。综合控制信号是由自动飞行控制系统的控制规律（简称控制律）决定。,1.3.3 飞控系统的基本回路,一般说来，固定翼飞机可供驾驶员控制的操纵面有三个：平尾（或升降舵）、副翼和方向舵，所以驾驶仪的舵回路也有三个：平尾（升降）舵回路、副翼（倾斜）舵回路和方向（航向）舵回路。这样也就形成了驾驶仪的三个通道，分别称作平尾（升降舵）通道（或俯仰角通道、纵向通道）、副翼通道（或倾斜通道）、方向舵通道（或航向通道）。,1
9、.3.3 飞控系统的基本回路,2）阻尼增稳回路 现代飞机随着飞行包线（高度H与M范围）的扩大，飞机自身稳定性下降，此时单靠人操纵飞机已很困难，因此在飞机上装了阻尼器和阻尼增稳回路或控制增稳回路。控制增稳系统除了增大阻尼外，还可以增加静稳定性和改善操纵性（电传）。阻尼器：引入飞机角速度负反馈，并与放大器和串联舵机组成阻尼器，增强角运动阻尼，增加平稳性。组成：由传感器、校正网络、放大器、助力器和飞机机体组成,1.3.3 飞控系统的基本回路,阻尼器与驾驶员的机械操纵系统是相互独立的，阻尼器仅仅通过反馈角速率来改善飞机的阻尼特性，而对姿态和航迹的控制任务还仍然由驾驶员来完成。加阻尼器的飞机其实就是一个
10、改善稳定性的飞机，人们把它归到被控对象中。控制关系如图所示：,阻尼器、自动驾驶仪与飞行员,驾驶员像监督飞行学员一样来监控自动驾驶仪的工作，并能够在必要时刻直接干预自动驾驶仪的工作。,1.3.3 飞控系统的基本回路,它在使用范围内自动参与飞机操纵而又不妨碍驾驶员操纵，因此常对阻尼器权限加以限制，或者在反馈回路引入高通滤波网络，但这又同时限制了工作范围和效能。若增加感受加速度信号或迎角、侧滑角信号的传感器，用以改善飞机的静稳定性，就称为增稳系统。在现代战机上，这种阻尼器增稳的作用已经拓展为控制增稳，以提高飞机的稳定性和操纵性，并解决它们之间的矛盾。后续章节将详细介绍。,自动飞行阻尼增稳系统,1.3
11、.3 飞控系统的基本回路,3）稳定回路（姿态角控制回路）舵回路加上敏感元件和放大计算装置组成自动驾驶仪(AP)，并与飞机组成的新回路。作用：稳定飞机的姿态（或稳定飞机的角速度）,1.3.3 飞控系统的基本回路,姿态角控制的基本原理及其与阻尼器控制的关系如图示：,1.3.3 飞控系统的基本回路,在驾驶仪自动控制飞行姿态时，飞行员把控制权交给驾驶仪，必要时进行干预。此时姿态控制器一般应带动驾驶杆，以便驾驶员监控它的工作。驾驶仪一般设有保障飞行安全装置，保证驾驶员对它的优先控制，并且不影响阻尼器的正常工作。,1.3.3 飞控系统的基本回路,增稳回路与稳定回路两者区别：稳定回路（AP）：是飞机在完成空
12、中配平后才投入工作，并且一旦投入工作后，飞行员通过操纵台上的按钮来操纵飞机。增稳阻尼回路：在飞机起飞时就投入工作，此时飞机仍由飞行员来操纵，增稳阻尼系统只起增稳，阻尼作用。它不属于自动飞行控制系统，而属于飞行控制系统。,1.3.3 飞控系统的基本回路,4）控制回路（又称控制与导引回路，简称制导回路）这个回路是完成对飞机重心轨迹控制的回路，它是以稳定回路为内回路。飞机重心位置的改变是通过控制飞机角运动实现的。,1.3.3 飞控系统的基本回路,飞机航迹控制的问题比较复杂。一般总是根据飞机航迹运动特点，把它分为纵向、侧向两个方面进行研究。一般是在姿态（包括航向角）控制的基础上构成航迹控制回路。航迹控
13、制器根据实际航迹与期望航迹的偏差，生成航迹控制指令，送入姿态控制器，通过飞行航向和姿态的控制，实时地修正航迹偏差，使飞机按期望航迹飞行。,1.3.3 飞控系统的基本回路,航迹控制回路可以是静态的事先由飞行员设定的，如自动导航中的计划航线；也可以是动态的飞行中即时更改的，如战术飞行中飞行员根据空中敌我态势的变化随时制定的飞行路线。高度稳定就是一种简单的航迹控制问题。要稳定飞机的高度，一般由驾驶员将飞机操纵到预定高度时，接通定高功能回路，使高度回路根据飞机高度偏差信号操纵平尾（升降舵）自动稳定飞行高度。,高度稳定系统,1.3.3 飞控系统的基本回路,由此可见，飞行控制系统是完成各种单一功能控制子系
14、统的总和。系统主要由完成三个功能的层次构成：最低层的任务是提高飞机运动和突风减缓的固有阻尼三个运动轴方向的阻尼器功能，第二层的任务是稳定飞机的姿态角基本驾驶仪的功能（主要进行角运动控制）；第三层的任务是控制飞行高度、航迹和飞行速度，实现较高级自动驾驶功能。,1.3.3 飞控系统的基本回路,1.4 本课程内容安排,第一章飞行力学基础 介绍坐标系，作用在飞机上的空气动 力及力矩。第二章 飞行器运动方程 建立了飞机运动方程（包括全量方 程、线性化小扰动方程及飞机的状态方程）。第三章测量与传感器 介绍飞行控制系统中的测量元件。自学第四章 舵机与舵回路 介绍飞行控制系统的执行机构。,1.4 本课程内容安排,第五章 典型飞行控制系统的分析 这是设计飞行控制系统 的必要基础。也是本课程的重点之一。首先介绍改 善飞机稳定性的阻尼系统和增稳系统。接着介绍飞 机三轴姿态控制系统和纵向、侧向轨迹控制系统。最后介绍了控制与保持空速的工作原理。重点。,1.4 本课程内容安排,第六章 飞行控制系统的设计 首先学习飞行品质评价及品质 规范，然后对飞行控制设计中的相关问题进行了讨 论。介绍了典型数字式飞行控制系统。自学第七章 现代飞行控制技术 对现代飞行控制系统中的基础 电传操纵系统及主动控制系统作简单介绍。,
