飞行力学与控制10：飞机姿态控制

1、第六章第六章 飞机姿态角运动的控制飞机姿态角运动的控制 引言引言 6.1姿态角控制器结构姿态角控制器结构 6.2姿态角控制器设计示例姿态角控制器设计示例 6.3操纵系统与自动驾驶仪控制方式操纵系统与自动驾驶仪控制方式 引言 回顾:纵/横向阻尼器.sas,cas是为了改善 飞机的稳定性和操纵性,作用改善飞行品质. 其系统工作方式属于全时工作 本章:纵/横向俯仰角,滚转角和航向的控制, 是为了替代驾驶员的部分工作,减轻长途飞 行的疲劳,是自动驾驶仪的基本组成部分.自 动驾驶仪的工作模式由驾驶员选择. 自动驾驶仪是在阻尼器基础上发展而来的. 控制器设计的目标和方法控制器设计的目标和方法(俯仰为例俯仰

2、为例): 1)抑制长周期模态抑制长周期模态; 2)构成高度控制器构成高度控制器,实现纵向航迹的控制实现纵向航迹的控制 方式方式:在阻尼器的基础上在阻尼器的基础上,添加外回路反馈俯仰角添加外回路反馈俯仰角. 设计的目标设计的目标,具有小的稳态误差具有小的稳态误差,又有良好的瞬态特性又有良好的瞬态特性. 为了实现该目标需要增益和动态补偿器为了实现该目标需要增益和动态补偿器. 系统综合的方法系统综合的方法:先设计内回路先设计内回路,再设计外回路再设计外回路. 自动驾驶仪的基本功能自动驾驶仪的基本功能 稳定模式:飞机自动保持原来的姿态角, 0 0 ( ), 0,( ), c t t c c 例如：自动

3、驾驶仪输入指令信号分别为 能增加长周期阻尼，抑制长周期模态； 保持机翼水平，稳定螺旋模态； 给定变化的航向(或俯仰角),使飞机自动改变航向, 并稳定于该航向. 作为航迹控制器的组成部分 飞机本体 阻尼器 舵机 姿态 控制器 姿态指令 偏差 舵偏指令 姿态角 姿态陀螺 姿态控制的一般结构姿态控制的一般结构 内回路阻尼器内回路阻尼器,外回路姿态角控制外回路姿态角控制 6. 1 姿态角控制器结构姿态角控制器结构 俯仰俯仰姿态控制器结构姿态控制器结构 俯仰 阻尼器 ( ) z z gs 1 s ( )g s ( )r s c zc z z 忽略陀螺快响应忽略陀螺快响应 由结构变换实现电传形式由结构变换

4、实现电传形式 zz g 1 s g c z z z z k 1/ z z kr 机 人 自动驾驶仪 控制器在前向通道控制器在前向通道,自动驾驶仪构成的闭环系统自动驾驶仪构成的闭环系统 与人机闭环系统结构一致与人机闭环系统结构一致. 电传操纵电传操纵:控制器及信号综合集成控制器及信号综合集成,由计算机承担由计算机承担. zc 阻尼器回路为快回路阻尼器回路为快回路,体现力矩变化体现力矩变化;外回路相对较慢外回路相对较慢,力的变化力的变化. 滚转滚转姿态控制器结构姿态控制器结构 滚转 阻尼器 ( ) x x gs 1 s ( )g s ( )r s c xc x x 航向航向角控制结构角控制结构 (

5、 )r s ( )gs c 滚转 阻尼器 ( ) x x gs 1 s ( )g s ( )r s c xc x x 滚转角控制回路 6-2 example:pithch-attitude-hold autopilot xaxbu ycxdu 带阻尼器的升降舵输入俯仰角输出的传递函数 0 1.0 0.74 q sp k 此时，对应短周期阻尼比 舵机时间常数0.1 闭环后 暂不看小的根,阻尼器反馈主要影响短周期和舵机根轨迹, 短周期阻尼增加,但过大的反馈增益会引起本体模态与控制 系统及结构模态的耦合 自动驾驶仪按比例反馈,系统响应存在稳态误差 1.4 1 0 4 4 0.2 c s s s s

6、g 加积分后,又带来新的副作用:消弱了阻尼器的作用, 为此,在动态补偿器中加了新的零,极点. .(新的零极点的作用同学课下讨论) 其中-0.2零点的选择是为了将该零点设置在两个本体零点的中间, 以实现根的合理走向.(同学课下讨论) 闭环传递函数闭环传递函数 还可以通过补偿器消除零点,消除超前引起的振荡 控制器设计步骤总结控制器设计步骤总结 设计阻尼器满足飞行品质要求设计阻尼器满足飞行品质要求 设计理想自动驾驶仪反馈增益设计理想自动驾驶仪反馈增益,满足动态响满足动态响 应应; 综合设计补偿器综合设计补偿器,满足稳态精度满足稳态精度,飞行品质及飞行品质及 动态响应动态响应. 6.3 操纵系统与自动

7、驾驶仪控制方式 自动驾驶仪的控制方式,取决于控制系统的 技术(例如:机械式还是电传),以及驾驶员和 控制器的功能分配.所以有很多形式. 由于飞机的操纵系统是由常规手动操纵演 变而来的,而且驾驶员可以选择自动驾驶还 是人工操作,所以与手动操作一致. 因此,需要首先了解驾驶员操纵的几种基本 的操作方式. 1.驾驶员与自动驾驶仪的关系驾驶员与自动驾驶仪的关系 早期早期(机械操纵机械操纵)的人机控制系统的特征的人机控制系统的特征 驾驶员 操作 系统 飞机 视觉 信号 运动 任务响应 干 扰 飞行品质要求的满足主要依赖气动外形特性设计飞行品质要求的满足主要依赖气动外形特性设计 涉及涉及驾驶员特性驾驶员特

8、性的操纵指标是操纵力、的操纵指标是操纵力、 和操纵杆的位移特性，主要涉及驾驶员的静态特性。和操纵杆的位移特性，主要涉及驾驶员的静态特性。 电传操纵的人机控制系统电传操纵的人机控制系统 驾驶员人感系统控制增稳飞机本体 视觉 运动 任务响应 干扰 仅靠气动外形设计难以满足飞机的飞行品质要求，仅靠气动外形设计难以满足飞机的飞行品质要求， 飞行品质的满足需要靠控制系统的设计。飞行品质的满足需要靠控制系统的设计。 飞机放宽静稳定性的控制增稳设计和电传操纵的采用，飞机放宽静稳定性的控制增稳设计和电传操纵的采用， 是现代飞机人机系统的结构发生变化是现代飞机人机系统的结构发生变化 自动化飞行的人机控制系统自动

9、化飞行的人机控制系统 在自动化飞行的人机系统中，驾驶员即要使用自动化设备，在自动化飞行的人机系统中，驾驶员即要使用自动化设备， 又要实施人工操作，具有多行为特征。包括驾驶员使用自动化又要实施人工操作，具有多行为特征。包括驾驶员使用自动化 飞行系统的逻辑推理、判断和决策以及人工操作行为。飞行系统的逻辑推理、判断和决策以及人工操作行为。 飞 行 导 引 系 统 飞 行 控 制 系 统 飞 行 动 力 学 系 统 测 量 系 统 飞 行 管 理 系 统 操 作 设 备 操 纵 杆 驾 驶 员 状 态 监 控 显 示 导 引 显 示 人 机 界 面 驾 驶 舱 资 源 飞 机 系 统 - 任 务 驾驶

10、员干预与自动器层次关系驾驶员干预与自动器层次关系 2. 三种基本控制方式 a) 阻尼器方式阻尼器方式: 驾驶员 飞机 阻尼器伺服机构 c y y x u “粗箭头粗箭头”表示的表示的 机械联结方式机械联结方式 差动摇臂迭加差动摇臂迭加 驾驶员和阻尼器驾驶员和阻尼器 的输出的输出, 驾驶员保持全时操纵权. b) 自动驾驶仪方式自动驾驶仪方式 驾驶员 飞机 自动驾驶仪 驱动 装置 c y y u 操作杆由控制器的伺服机构操作操作杆由控制器的伺服机构操作, 而驾驶员不控制驾驶杆而驾驶员不控制驾驶杆,驾驶员起监控作用驾驶员起监控作用 驾驶员通过驾驶员通过 驾驶杆的随动驾驶杆的随动, 了解自动驾驶仪了解

11、自动驾驶仪 的工作的工作 c)电传操纵方式 驾驶员 飞机控制器 驱动 装置 c y y u 控制器在前向通道,驾驶员通过控制器操纵飞机, 驾驶杆与操纵面之间不再有机械式的联系,而是电 信号传递,所以称为”电传操纵”. 此时, 驾驶杆为 控制器预置 指令信号 * , , ( yc zc yczc n cn 例如： 过载 角速度 或组合过载和角速度） 3. 操纵系统布局形式 不带自动器的操纵 阻尼器辅助的人工操纵 电传操纵 自动驾驶仪工作的操纵 不带自动器-升降舵升降舵 驾驶员克服舵面铰链力矩,铰链力矩与动压和重心位置有关, 好处是为驾驶员直接感受飞机特性的反馈. 通过调整片消除杆力,在上图中由平

12、尾产生. 升降舵升降舵 不带自动器-全动平尾 全动平尾 战斗机常用,平尾实现操纵,配平电机和弹簧(千斤顶,screw jack) 承担稳态操纵面载荷,并改变零杆力点,使驾驶员围绕零点操纵. 不带自动器-带助力器 人感系统人感系统 驾驶杆力用液压助力器来减小,或完全替代, 操纵面的感觉消失,用人感系统来为驾驶员 提供力的感觉.(人感系统经历了机械,被动,主动) 阻尼器辅助的人工操纵-并联 并联形式:差动摇臂迭加驾驶员和阻尼器的输出, 弹簧的作用:1)产生人工感力;2)避免阻尼器的输出 对驾驶杆的反作用. 电传操纵 特点:1)系统简单 2)通过主操纵元件预置引导量 3)控制功能集成化 1)系统简单 阻尼器伺服机构,自动驾驶仪伺服机构和舵 面的操纵机构综合为一个伺服操纵机构.去 掉控制器伺服机构间的机械信号混合机构, 把这些功能汇总在计算机中. 2)通过主操纵元件预置引导量 驾驶杆预置引导量,驾驶员和控制器都在前 向通道,驾驶员通过控制器操纵飞机.不再需 要大的操纵力,用侧杆来取代中