飞行控制系统绪论

飞行控制系统,吴梅wumei1997,教材,飞行控制系统吴森堂费玉华国防科工委十五规划教材,绪论,什么是飞行控制系统？自动飞行控制系统的基本回路飞机的增稳飞行控制系统的发展本课程涉及的内容：,一、什么是飞行控制系统？,1、问题的引出：(1)自动飞行控制系统已有一百多年的研制历史。1891年海诺姆马克西设计和建造的飞行器上就安装了改善飞行器纵向稳定性的飞行控制系统。(2)后来，直到二十世纪初，由于飞行器本身性能的不断改善，而自动控制理论也处于发展初期，因此飞行器的自动控制发展缓慢；(3)二十世纪中期以后，随着飞行任务的不断复杂化，对飞行器性能要求越来越高，如希望运输机飞行距离要远，侦察机飞行高度要高，而战斗机要有良好的机动性，希望飞机便于操纵，减轻飞行员的负担，这就使自动控制成了不可回避的问题，这样就出现了飞行控制系统。,飞机系统,包括操纵系统、探测显示系统、导航系统和通信系统，在军用飞机上还有火力控制系统、电子对抗系统、飞行员防护和救生系统等。它们都是飞机必不可少的重要组成部分，最能反映一种飞机的技术水准。,驾驶飞机的典型操纵方法是这样的：飞机的俯仰操纵（绕飞机横轴的运动）是靠飞行员推、拉驾驶杆或驾驶盘，带动升降舵偏转来完成的；飞机的侧向操纵（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；飞机的方向操纵（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。,1912：爱莫尔.斯派雷，电动陀螺稳定装置，自动驾驶仪诞生；埃尔默斯佩里后来又发明了陀螺罗盘、陀螺地平仪和侧滑指示器等一系列飞行仪表，使飞行员可以在夜间和复杂气象条件下，按仪表指示操纵飞机，对人类航空技术发展作出了突出的贡献。电气式自动驾驶仪C-1（B-17E型轰炸机），A-5自动驾驶仪与其他机载装置组合航迹自动控制系统；,飞机操纵系统的第二次重大突破是电传操纵系统的出现。电传操纵系统真正使用于飞机，发生在20世纪70年代。在采用电传操纵系统的飞机上，没有了传统的钢索和连杆等机械传动机构，飞行员完全通过电信号来操纵飞机。（F16）1975年，美国空军在A-7D型飞机上试验数字战术飞行控制系统时，开始使用光纤作为数据传输线。光纤技术和数字式电传操纵系统相结合，产生了光传操纵系统的概念。,初期采用自动驾驶仪稳定飞机的角运动。50年代前自动驾驶仪用于运输机和轰炸机的平飞。（飞机自动驾驶仪逐渐与机上其他装置耦合以控制航迹（定高和自动下滑等），既能稳定飞机，又能全面控制飞机，直至全自动着陆。60年代自动驾驶仪功能扩展成为飞行控制系统（AutomaticFlightControlSystemAFCS），产生了随控布局飞行器设计新思想。80年代已在研制把火控系统、推进装置控制系统和飞行控制系统集成为火/飞/推综合控制系统，以使各系统协同工作，更完善地完成飞行任务。,一、什么是飞行控制系统？,2、飞行自动控制系统的定义控制器控制的目的：（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,一、什么是飞行控制系统？,2、飞行自动控制系统的定义（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：如何偏转这些飞机上的控制面？靠控制设备（如：舵机）,一、什么是飞行控制系统？,2、飞行自动控制系统的定义飞行控制系统：以飞行器（飞机、导弹）为控制对象，对飞行器的运动加以控制的系统。飞行自动控制系统：在没有人直接参与的条件下，由控制系统自动地控制飞行器的飞行，这种控制系统称为飞行自动控制系统。其中：r为参考输入；y为输出（例如：飞机的姿态角，高度等）,一、什么是飞行控制系统？,飞行控制系统研究涉及内容对象的建模与分析；控制器设计；闭环系统分析;,一、什么是飞行控制系统？,3、飞控系统的作用（1）改善飞机飞行品质固有特性：改善飞机的故有特性（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；大扰动的控制特性（2）协助航迹控制（3）全自动航迹控制（4）监控和任务规划,一、什么是飞行控制系统？,4、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。,一、什么是飞行控制系统？,4、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：,一、什么是飞行控制系统？,4、飞控系统的基本组成与自动飞行原理（2）自动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。,二、自动飞行控制系统的基本回路,1、舵回路（又称小回路）（伺服回路）舵回路：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。是一个随动系统。,二、自动飞行控制系统的基本回路,1、舵回路（又称小回路）（伺服回路）组成：放大器、舵机、反馈元件（作用是改善舵回路特性）分类：随反馈形式的不同可分成三类舵回路负载：舵面的惯量，和作用在舵面上的气动力矩（铰链力矩）。,二、自动飞行控制系统的基本回路,1、舵回路（又称小回路）（伺服回路）比例式：由位置传感器将舵面角位置信号反馈到舵回路的输入端，使控制信号与舵偏角一一对应。积分式：用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。均衡式：比例积分，是上述两种方式优点的总和。,二、自动飞行控制系统的基本回路,2、稳定回路稳定回路：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）,二、自动飞行控制系统的基本回路,3、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。,三、飞机的增稳,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，增加稳定性。控制增稳系统：除了增大阻尼外，还可增加静稳定性和改善操纵性。回路中一般包括角速率及用于增稳的迎角（纵向）或侧滑角（侧向）信号的测量元件，以及放大器和串联舵机。,三、飞机的增稳,三、飞机的增稳,增稳回路与稳定回路两者区别：稳定回路（AP）：是飞机在完成空中配平后才投入工作，并且一旦投入工作后，飞行员只能通过操纵台上的按钮来操纵飞机。属于自动飞行控制系统。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。此时驾驶员与增稳系统共同操纵飞机，因此是有人驾驶情况下的自动控制系统，而不属于自动飞行控制系统。,基本的飞行自动控制系统,阻尼器(damper)增稳系统(stabilityaugmentationsystemSAS)控制增稳系统(controlaugmentationsystemCAS)自动驾驶仪(autopilot),阻尼器与驾驶员的关系,俯仰阻尼器,阻尼器、自动驾驶仪与飞行员,高度稳定系统,五、本课程涉及的内容,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。,五、本课程涉及的内容,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