飞行器自动控制导论第六章.docxVIP

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第六章典型飞行自动控制系统的工作原理概述

典型飞行自动控制系统的组成

描述飞机运动的参数有三个姿态角（?、?、?）、两个气流角（?、?）、

两个线位移（H、Y）及一个线速度（V）。飞行控制的作用，就是应用负反馈控制原理对上述参数的部分或全部进行控制。有时也根据需要也可控制与速度V和迎角?有关的马赫数M及法向过载。实际上飞行自动控制就是按一定飞行控

制律，输出三个舵偏角（? 、?

e

及? ）及油门?

r a T

对飞行器实现闭环控制。

典型飞行自动控制系统一般包括三个反馈回路：舵回路、稳定回路和控制（制导）回路。

舵回路通常是一个随动系统（或称为伺服系统），一般包括舵机、反馈部件和放大器，如图所示。舵回路中的舵机作为执行机构带动舵面偏转。

-

-

?

W(s)

舵

-

m

1

测

位置传

图舵回路方框图

舵回路中有两个反馈回路：位置反馈回路，使控制信号与舵机输出信号成比例关系，速度反馈回路，增加舵回路阻尼，改善舵回路的动态性能。

如果敏感部件是测量飞机的姿态，测量敏感部件、放大计算装置与舵回路构成自动驾驶仪，自动驾驶仪和飞机构成了飞行器的稳定回路，主要起稳定和控制飞机的姿态的作用。典型的稳定回路如图所示。

放大计算

放大计算

舵

飞

-

敏感元

图稳定回路

由稳定回路和飞机重心位置测量部件以及描述飞机空间几何关系的运动环节，组成更大的回路，称为控制（或称制导回路），如图6-3所示。主要起稳定和控制飞机的运动轨迹的作用。

接

接

放

飞

-

大计算

舵

运

动学环

敏感元

控制

图 控制（或制导）回路

纵向控制

飞行器纵向扰动运动，一般由短周期模态运动和长周期模态运动组成。随着飞行器的速度越来越快，飞行高度越来越高，飞行包线范围扩大，欲使飞行器在整个包线范围内满足飞行品质要求，普遍采用反馈控制技术。例如高空飞行时，飞行器的阻尼特性常常变差，短周期模态特性趋于恶化，造成操纵反应过程中超调量过大，振荡加剧，严重影响飞行任务的完成，此时，可以在纵向通道引入适当的反馈可以改善飞行品质。又如当飞行器要完成保持姿态角或等速V飞行时，即使飞行器具有良好的短周期模态时，但由于长周期模态振荡频率较低，衰减较慢，甚至是慢发散的。要实现上述任务时，要求驾驶员经常操纵舵面加以控制，并且过程很长。为了减轻驾驶员负担，精确地完成上述任务，需要抑制沉浮运动，同样可以引入适当反馈信号达到目的。如要完成定高飞行，除了使飞行具有良好短周期模态和长周期模态外，还可以引入高度反馈，完全脱离驾驶员操纵实现保

持高度的自动飞行。1）俯仰角稳定与控制

俯仰角稳定与控制回路一般需要俯仰角和俯仰角速度反馈，控制结构如图所示。

前向控制

- 通道

升降舵偏转指

俯仰角速度增

俯仰角速度

俯 仰

图俯仰角稳定与控制结构

前向控制通道可采用比例或比例+积分的形式，采用比例形式时存在静差，采用比例+积分形式时控制没有静差，根据具体需求选择前向控制通道的形式。俯仰角速度反馈用于增加短周期阻尼。

2）高度控制

高度控制由俯仰内回路和外回路组成。俯仰内回路一般需要俯仰角和俯仰角速度反馈组成，高度控制的外回路一般采用比例+微分的形式，如图所示。

高

度

-

高

给定 度比高度

前向

-控制通

升降舵偏转

-

俯

升 仰角 俯仰

降 速 俯 仰

升降

速度

速度 角速度增益

图高度控制结构3）航迹倾斜角控制

航迹倾斜角控制主要用于飞行器的爬升/下滑（下降）段，航迹倾斜角控制作为外回路，俯仰角控制作为内回路，如图所示。

俯仰角内回

俯仰角内回

P

ID

给定航迹倾

-

俯仰角给定

航迹倾斜角

图航迹倾斜角控制框图4）空速控制

空速控制通常包括油门自动控制方案、俯仰空速控制和阻力空速控制。1俯仰空速控制

通过控制升降舵，改变俯仰角以控制空速。其实质是升降舵改变俯仰角，改变重力在飞行速度方向上的投影，引起飞行加速度变化，从而控制了速度，俯仰空速控制结构如图所示。

空

-

空

给定 速比空速

空速积分

升降舵偏转

前向

-控制通 -

俯

仰角 俯仰

俯 仰 速度 角速度增益

图俯仰空速控制结构

将空速传感器换成M数测量元件，可实现M数的自动控制。由于此方案油门杆不操纵，调速范围受到限制。

油门自动控制系统

通过控制油门大小，改变发动机推力以控制空速，如图所示。

给定

给定

空速

-

空

速比

自

动驾驶

H,?

空

?

e

速

空

速积分

飞

?

?

T

行器

V

图油门自动控制系统与自动驾驶仪

由于自动驾驶仪工作，所以与单独操纵油门杆的结果不同，自动驾驶仪可以稳定高度及俯仰角。如果自动驾驶仪处于保持高度状态，在稳定过程中，空速向量始