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第一章飞行控制系统概述 1.1飞行器自动控制 1.1.1飞行控制系统的功能 随着飞行任务的不断复杂化，对飞机性能的要求越来越高，不仅要求飞行距离远（例如运输机），高度高（高空侦察机），而且还要求飞机有良好的机动性（例如战斗机）。为了减轻驾驶员在长途飞行中的疲劳，或使驾驶员集中精力战斗，希望用自动控制系统代替驾驶员控制飞行，并能改善飞机的飞行性能。这种系统就是现代飞机上安装的飞行自动控制系统。 飞行控制系统的功能归结起来有两点：1）实现飞机的自动飞行；2）改善飞机的飞行性能。 飞机的自动飞行控制系统在无人参与的情况下，自动操纵飞机按规定的姿态和航迹飞行，通常可实现对飞机的三轴姿态角和飞机三个方向的空间位置的自动控制与稳定。例如，无人驾驶飞行器（如无人机或导弹等），实现完全的飞行自动控制；对于有人驾驶的飞机（如民用客机或军用飞机），虽然有人参与驾驶，但某些飞行阶段（如巡航段），驾驶员可以不直接参与操纵，而由飞行控制系统实现对飞机飞行的自动控制，但驾驶员应完成对自动飞行指令的设置和监督自动飞行的情况，并可以随时切断自动控制而实现人工驾驶。采用自动飞行具有以下优点： 1）长距离飞行时解除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作负担； 2）在一些恶劣天气或复杂的环境下，驾驶员难于精确控制飞机的姿态和航迹，自动飞行控制系统可以精确对飞机姿态和航迹的精确控制； 3）有一些飞行操纵任务，驾驶员难于精确完成，如进场着陆，采用自动飞行控制则可以较好地完成任务。 一般来说，飞机的性能和飞行品质是由飞机本身气动特性和发动机特性决定的，但随着飞机飞行高度及飞行速度的增加，飞机的自身特性将会变坏。如飞机在高空飞行时，由于空气稀薄，飞机的阻尼特性变坏，致使飞机角运动产生严重的摆动，靠驾驶员人工操纵将会很困难。此外，设计飞机时，为了减小质量和阻力，提高有用升力，将飞机设计成静不稳定的。对于这种静不稳定的飞机，驾驶员是难于操纵的。在飞机上采用增稳系统或阻尼系统可以很好地解决这些问题。 1.1.2控制面 飞行器自动控制可以使飞行器在受干扰情况下保持飞行器的姿态，或改变飞行器的姿态或空间位置，通过对飞行器施加力或力矩来实现，飞行器的运动遵循牛顿定律。 一般来说，操纵飞机是通过偏转控制面来实现。常规布局飞机通常有三个控制面：升降舵（Elevator）、方向舵(Rudder)和副翼(Ailerons)。升降舵主要控制飞机纵向平面的运动，方向舵和副翼主要控制飞机侧向平面的运动。这些控制面与相应的控制设备形成控制通道，构成简单的飞行控制系统。 对于随控布局飞行器（Control Configured Vehicle，简称CCV）来说，有更多的控制面，除了全动平尾（All-moving tail）、全动直尾（All-moving fins）和副翼外，还可能有前缘缝翼（Leading edge slates）、襟翼（Flaps）、水平鸭翼（Horizontal canard）、垂直鸭翼（Vertical canard）等控制面。 1.2飞行器控制系统组成 1.2.1飞机人工驾驶基本过程 如果飞机在平飞过程中，由于某中外界干扰使飞机抬头，不在保持水平状态。驾驶员从地平仪上观察到这个姿态角（俯仰角）的变化，反映到大脑中，经过思维判断立即做出如何操纵飞机的决定，指挥手去推动驾驶杆，驱动升降舵向下偏转，产生相应的下俯力矩，使飞机低头恢复水平姿态。驾驶员又从仪表上看到这一变化，逐渐把驾驶杆收回原位。当飞机回到原态（水平）时，驾驶杆和升降舵也回到原位。整个过程如图1-2所示。 从图1-2看出，这是一个反馈系统，即闭环系统。图中虚线表示驾驶员，如果用自动驾驶仪代替驾驶员控制飞机飞行，自动驾驶仪必须包括与虚线框内三个部分相应的装置，并与飞机组成一个闭环系统，如图1-3所示。 1.2.2飞行控制系统基本组成 自动飞行的原理如下：当飞机偏离原始状态，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（如舵机），使控制面（例如升降舵面）相应偏转。由于整个系统是按负反馈原则连接的，其结果使飞机趋向原始状态。当飞机回到原始状态时，敏感元件输出信号为零，舵机以及与其相连接的舵面也回到原位，飞机重新按原始状态飞行。 由此可见，自动驾驶仪中的敏感元件、放大计算装置和执行机构可代替驾驶员的眼睛、大脑神经系统和肢体，自动地控制飞机的飞行。这三部分是自动飞行控制系统的核心，即自动驾驶仪。 为改善舵机的性能，通常执行机构引入内反馈（将舵机的输出反馈到输入端）形成随动系统（或称伺服回路），简称为舵回路。舵回路是由舵机、放大器及反馈元件组成，如图1-4虚线框内所示。反馈元件包括测速机和/或位置传感器。测速机测出舵面偏转的角速度，反馈给放大器以增大舵回路的阻尼，改善舵回路的性能，位置传感器将舵面位置反馈到