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自动飞行控制系统  第四章 飞机姿态控制系统 北京航空航天大学 姿态控制构成了自动飞行控制的基本功能。 分为纵向平面的俯仰角及横侧平面的滚转角与偏航角运动。 姿态控制有两种工作状态，控制与稳定。 ---控制是指飞机原处于某种平衡状态，在外加指令作用下，建立新的平衡状态的过程 ； ---稳定是指原飞机处于某种平衡状态，由于某种原因，偏离了该平衡状态，系统使飞机能恢复原平衡状态的过程。 增稳或控制增稳系统是飞机姿态控制的内回路 属于自动飞行控制系统。 4.1 飞机俯仰角的控制与稳定 4.1.1 俯仰角控制系统的基本结构 1 俯仰角的稳定过程 整个控制过程如图4.3所示。 2 俯仰角控制过程 4.1.2 引入俯仰角速度反馈改善系统性能 俯仰角控制系统里引入俯仰角速度q反馈 ---俯仰角速率陀螺测量飞机俯仰角速度q，并通过变换处理与角度反馈一起去控制升降舵 飞机俯仰角速度反馈使舵面实现提前反舵，减少接近平衡时的速度，过程比较平稳。角速度反馈增大系统的阻尼，减少超调量，使过程比较平稳，但常常会增大调节时间。 4.1.3 在常值外干扰力矩作用下的稳态误差 1 稳态误差 2 减小或消除稳态误差方法 1) 增大开环放大系数 可以降低稳态误差。 2) 在控制器中引入积分环节 考虑到这种情况，常用的飞机俯仰角控制系统典型的结构如下图所示。 4.3 飞机航向角运动的稳定与控制 4.3.1 飞机航向角运动稳定与控制的基本方式 航向角运动稳定与控制三种方式： 1) 方向舵控制： 偏转方向舵，产生偏航力矩，副翼保持水平，实现水平转弯；侧滑较大；与速度协调差，少用。 2) 利用副翼，倾斜转弯： 副翼控制飞机倾斜；升力倾斜产生水平分力，速度向量偏转，产生侧滑角，利用航向稳定性，机体轴偏转，实现转弯。应用较多。 3) 同时控制副翼及方向舵： 航向协调控制与稳定，较为复杂。 4.3.2 利用付翼控制与稳定航向 1 飞机倾斜运动与偏航运动的关系 倾斜时，升力法向分力与重力相等； 转弯时离心力升力水平分力相等： 2 航向角控制系统基本结构图 测量航向偏差角，通过倾斜角控制系统，操纵副翼，飞机倾斜，实现偏航角的控制与稳定。 3 修正起始航向偏差的过程 初始状态： 1 初始接通系统 产生右滚力矩，右滚， 速度向量向右移，机体轴未动，产生侧滑 2 有正侧滑角，航向静稳定性，机体转动， 减小。 3 此时舵面为 4. 飞机仍然右倾斜，产生右侧力，航向角继续减小，从而使 副翼反向偏转，产生左滚力矩， 左滚，倾斜角减少。 5 如此下去，最终，倾斜角， 偏航角及侧滑角回零， 飞机恢复原航向， 水平飞行。 但航迹偏了原航迹。 说明： 在控制规律中倾斜角反馈的作用相当于偏航角速率反馈。起阻尼作用。 如果倾斜角反馈的作用不足时，还可引进偏航角速度反馈。 为了消除常值干扰力矩静差，还可在正向通道加入积分环节。 4.3.3 自动协调转弯 1自动协调转弯 飞机在水平面内连续改变飞行方向，实现无侧滑(即β≈0)，保持高度的机动飞行，称为自动协调转弯。 为了实现自动协调转弯，必须完成上述三种动作: ·操纵副翼建立稳定的滚转角，即?=常数； ·操纵方向舵，建立所要求的偏航角速度r，消除侧滑； ·操纵升降舵保持高度不变。 2 消除侧滑的控制方案: 1). 测量侧滑角β，通过方向舵进行控制 控制规律： 缺点：侧滑角测量逐准，受大气扰动较大。 2)引入侧向加速度反馈消除侧滑 转弯时产生侧向加速度： 利用侧向加速度计测得的 侧向加速度控制方向舵， 抑制侧向加速度，从而抑制侧滑角。 缺点：因为 较小，故 要求加速度计的灵敏度高，死区小。易感受结构模态影响。 3). 利用计算的偏航角速率反馈消除侧滑 协调转弯时，在倾斜角?及一定的空速时，必须保持有一定的偏航角速率r及俯仰角速率q。 该式表明，飞机倾斜后，实现自动协调转弯，即β=0，应有上式偏航角速率及俯仰角速度q。 根据倾斜角?计算求得r，作为指令信号rg控制方向舵，使实测的偏航角速度r等于指令偏航角速度rg。系统的结构图如图4.20所示。 3 协调转弯时纵向控制 为了保持飞机在水平面内转弯，使飞机不掉高，要解决