控制增稳与电传控制律7-8

1、第五章 典型飞行控 制系统分析 控制增稳系统控制增稳系统 讲述内容 n控制增稳系统的构成与工作原理控制增稳系统的构成与工作原理 n俯仰控制增稳控制律俯仰控制增稳控制律 n控制增稳系统对飞机稳定性和操纵品质的影控制增稳系统对飞机稳定性和操纵品质的影 响响 CAP(杆力灵敏度、杆力梯度杆力灵敏度、杆力梯度) n控制增稳系统指令模型设计控制增稳系统指令模型设计 第三节第三节 控制增稳系统控制增稳系统 n复习 阻尼与增稳系统 飞机操纵机构 增稳与控制增稳系统 n从50年代中期至60年代，由于飞机向高速高空方向发 展，歼击机外型变化（大后掠、三角机翼，细长身）， 使飞机自身稳定性不足，此时通过气动外形改

2、变和飞 行操纵系统难以提高稳定性，为此出现了阻尼增稳系 统。这样会引起操纵性下降，为解决稳定性与操纵性 的矛盾而出现控制增稳系统。 n阻尼器和增稳系统能够提高系统的阻尼比和固有频率 但牺牲了操纵性； n无法解决非线性操纵指令问题，飞机大机动时较高灵 敏度； 增稳与控制增稳系统 n控制增稳系统是在增稳系统的基础上增加一个杆 力传感器和一个指令模型构成的。电器与机械通 道相并联，驾驶员操纵信号一方面通过机械链使 舵面偏转某角度，另一方面又通过杆力传感器输 出指令信号，经指令模型与反馈信号综合后控制 舵面偏转，总的舵面偏转为上述两舵偏角之和。 由此可见，电器指令信号增强了操纵量的作用。 一、控制增稳

3、系统的构成与工作原理 二、俯仰控制增稳系统的控制律 n比例控制律为： 其中： 飞机方程： yjzypzz n y q ye FkkFksMkknKqK z za q y q y kkkkK za n y n y kkkkK zz z g V n zs sq s Mcscs e e ; )( )( ;)( 21 2 n具有这种控制律的系统没有自动配平功能，所以 仍要求驾驶员利用调整片效应机构消除杆力实现 配平。当纵向力矩不平衡时，出现 ，并通 过反馈使舵机动作，舵面偏转。偏转到规定权限 时，舵机停止转动，同时接通调校机构，继续向 原方向偏转舵面。因调校机构是积分环节（例如 电机），它使舵面偏转直

4、到 消失，从而实 现自动配平，所以将调校机构引入，使比例控制 律变为等效的比例加积分控制规律。调校机构转 速很慢，起配平作用。 z nq和 z nq和 二、俯仰控制增稳系统的控制律 有调校机构的控制增稳系统 有调校机构的控制增稳系统比例加积分控制律 n引入积分不仅是为了提高稳态精度，更重 要的是为了实现飞机自动配平。纵向力矩 不平衡时，舵机自动承担配平任务，无需 驾驶员干预，也就不存在杆力配平问题。 但要实现积分作用，舵机必须有较大的权 限，所以舵面权限较小的控制增稳系统只 能采用比例式控制律。 dtFsMkkkdtnKqK FkkFksMkknKqK ypzz n y q y yjzypzz

5、 n y q ye z z 比例加积分控制律结构图 说明： n在这里舵机作用与比例控制律中调校机构 的作用相同，都是积分作用，承担自动配 平任务。但在比例加积分控制律中由舵机 来实现，而在比例控制中有调校机构（电 机）来实现。 中性速度稳定性控制律概念： n中性速度稳定性：以任意速度飞行时，飞机速度都是稳定的。 n中性速度稳定性控制律（NSS）：在不需要驾驶员施加稳态 杆力或配平输入情况下，系统本身具有补偿随飞行速度变化 所需平尾配平能力的控制律，称为中性速度稳定性控制律。 飞机在跨音速飞行时，会出现速度不稳定现象，引起纵向力 矩不平衡，驾驶员必须及时操纵平尾加以修正。采用比例加 积分式控制律

6、可以使平尾自动偏转修正。所以比例加积分式 控制律又称为中性稳定性控制律。 正速度稳定模态（PSS）： n采用比例加积分控制律后，舵面的偏转与杆位移不再是 比例关系，不能满足起飞与着陆时驾驶员对于固定关系 的要求。因此在起飞与着陆时，应断开积分环节，改接 比例控制律。此时飞机速度较小，处于正速度稳定性状 态（速度是稳定的），相应的工作模态称为正速度稳定 性模态。 飞机的飞行品质 三、控制增稳系统对飞机稳定性和操纵品质的影响 飞机的稳定性和操纵性 三、控制增稳系统对飞机稳定性和操纵品质的影响 三、控制增稳系统对飞机稳定性和操纵品质的影响 三、控制增稳系统对飞机稳定性和操纵品质的影响 1、对杆力灵敏

7、度 的影响 杆力灵敏度定义： 是一个衡量飞机操纵性的指标，是评价飞机对操 纵指令的初始反应性能。 即单位杆力所产生的飞机初始俯仰角加速度 y F M 0t y F F q M y 三、控制增稳系统对飞机稳定性和操纵品质的影响 1、增加杆力灵敏度 值 n衡量飞机操纵性好坏的一个重要指标是杆 力灵敏度。控制增稳系统可以增加杆力灵 敏度，提高系统操纵性能。下面通过传递 函数进行分析。 n略去高通环节与滤波环节，并令 有： y F M 0 z n y k 简化的俯仰控制增稳系统结构图 + + + - y F j k k z k s sq e q sk p M U k q y k sM P U n系统闭

8、环传递函数为: n上式两边同乘s，以构成俯仰角加速度信号 sGK sGk sMkkk sF sq qq y q z pj y e e 1 sGK ssGk sMkkk sF sq qq y q z pj y e e 1 n杆力输入为单位阶跃， ，应用初值 定理，对控制增稳系统有： n对没有电气通道的增稳系统有 ，则 s sFy 1 0 limlim 1 () e e e q z jpy qq s t y jpz k Gs s q tkk k M sFs K Gs kk k M s k M 0SM 0 lim e jz t q tk k M n系统的杆力灵敏度为： n比较上两式显见：控制增稳系统

9、的杆力灵 敏度 要比增稳系统的杆力灵敏度 值大。上式虽然是在 情况下得出的， 但结论也适用于其它情况。 0t y F F q M y y F M y F M 0 z n y k 2、改善操纵系统的杆力特性 n定义：杆力梯度，即单位过载杆力，是衡量飞机产生单位 过载所需施加的操纵杆力的指标。 n单位过载杆力 为飞机作机动飞行时，产生过载（稳态）时所需杆力，这 个力要求要适当。下面根据单位过载杆力来分析控制增稳 控制系统对杆力特性的影响。 t z yn y n F F z 1）不可逆助力操纵系统杆力特性 ： n传递函数为： n杆力梯度为： n由此可见：不可逆助力操纵系统的杆力梯 度与 以及飞机的固

10、有频率 有关。 22 0 23 .57 ddd zj y z ssg Mzukk sF sn e e z Mzukk g n F F zj d t z yn y 0 2 3 .57 e Mz 、 、 d 2）控制增稳系统杆力特性 ： sGk s s k s s kk sGkk k k sMk sF sn zz z z e n q n y q y a n y n z j p y z 1 1 11 1 1 2 3 传递函数为（将增稳系统及电气前馈通道接通）：传递函数为（将增稳系统及电气前馈通道接通）： n上式分母第一项值较第二项值小很多，可以忽略，则有： sGk s s k s s kk k k

11、sMk sF sn zz z n q n y q y a n y j p y z 1 1 1 1 1 2 3 杆力梯度为： n假设 ，杆力梯度为： 0 3 .57 1 1 u g k k kk k k sMk sn sF F z zz n y q y a n y j p ss z yn y M ksM 0 3 .57 1 uk gk kkkk kkk F z z z n y q y jMp a n yn y 结论1： n比较不可逆助力器操纵系统杆力梯度与控制增稳系统的杆 力梯度可见：控制增稳系统的杆力梯度只与飞行速度 有关，与飞机固有频率 无关，显然好于不可逆助力器 操纵系统。 0 u d 3

12、）增稳系统杆力特性 ： 对增稳系统有 ， n杆力梯度为： 0 M k 0 3 .57 1 uk gk k kkk F z z z n y q y j a n yn y 增稳系统与控制增稳系统比较结果： 比较增稳系统与控制增稳系统的杆力梯度 可知： n控制增稳系统的杆力梯度比增稳系统的杆 力梯度降低了 倍，从而克服了 由于采用增稳系统而增大杆力梯度的缺点， 改善了杆力特性。其实这一点正是因为在 控制增稳系统中引入前馈的原因。 jMp kkkk/ 3、增加静操纵系数 可以通过写出 的传递函数来进行分析，同样可 以得出结论： 控制增稳系统的静操纵系数比增稳系统的静操纵系数要大。 sFsq y / 四

13、、指令模型的形式和参数的选择 n在控制增稳系统中设置指令模型的目的是 改善飞机操纵性，衡量操纵性指标的一个 重要指标就是杆力灵敏度 ，其值应按 飞行状态由规范给出。因 ， 所以在给定 情况下，可能会出现杆力 灵敏度的高低与杆力大小相反的情况，与 驾驶员要求相反。指令模型的形式就是根 据这一情况确定的。 y F M y t Fy FqM/ 0 0t q 1、指令模型的形式 1)非线性指令模型 非线性指令模型实际上是增益随输入信号 作非线性变化的电路。 M U P U0 n图中： ：为杆力传感器输出电压； ：为指令模型的输出电压； ：为曲线斜率，即 的传递系数。 n由此可得助力器输入端总位移为：

14、一般情况有： ， n所以有： P U M U M k sM ypjz FksMkkW 1 jp kksMk ypz FksMkW 1 代入灵敏度表达式可得： n由非线性指令模型可见：在大杆力( 大) 情况下， 值大；再由上式可得： 值大， 相应的 也大，飞机具有较高的灵敏度。 同理，小杆力时， 值小， 也小，飞 机可获得较低的灵敏度，恰好能满足飞行 品质要求。 1 00 z t Mp y t F W qkkk F q M y P U M k M k y F M M k y F M 2）滞后网络指令模型 n传递函数为： 式中： 为传递系数， 为时间常数。 n将 的幅值带入灵敏度表达式有： 1/s

15、ksM MM M k M jM 1 / 0 z t pF WjMqkkM y 滞后网络幅频特性： jMlg20 0 m 结论： n因为驾驶员用大杆力作大机动飞行时，杆 力变化缓慢，所以输入滞后网络的是低频 信号。由图可见，低频段的传递系数大， 灵敏度较高；小机动飞行时由于动作快， 杆力变化是高频信号，传递系数小，灵敏 度低。这就兼顾了对不同机动飞行时的杆 力灵敏度的要求。 2、指令模型参数的选择 1) 前馈电气通道的传递系数 和 的设计 M k p k 2、指令模型参数的选择 1) 前馈电气通道的传递系数 和 的设计 M k p k 2、指令模型参数的选择 2)指令模型时间常数 的确定 m 2

16、、指令模型参数的选择 2)指令模型时间常数 的确定 m 控制增稳系统的优缺点 控制增稳系统的优缺点 控制增稳系统的优缺点 电传操纵系统 电传操纵系统 n单通道纵向电传操纵系统的组成及工作原理单通道纵向电传操纵系统的组成及工作原理 n电传操纵系统比控制增稳系统在前向通道 中增加了自动配平网络，过载限制器以及 为补偿飞机静不稳定而设置的放宽静稳定 性回路（Relaxed Static Stability RSS）。如果飞机是稳定的，则不必引入 RSS。为提高飞机安全性，在反馈通道内增 加了迎角/过载限制器。NSS、PSS前面已介 绍为中性速度稳定性控制律及正速度稳定 性模态。 电传操纵系统主要功能

17、回路 n电气指令通路：它的功能相当于机械操纵 系统中除助力器以外的全部功能，它是驾 驶员通过杆力传感器输出电气指令信号的 通路。 如上图中最上面一条通路的前半段 n机械预载：这个环节提供一个死区，其作 用是防止飞行员动作疏忽，而引起不应有 的指令。-防驾驶员疏忽 n指令梯度：这是个非线性环节，其作用是 对与杆力成正比的电信号进行整形（非线 性整形），以保证飞机在驾驶杆出现大偏 转时有大的机动性，而在小杆力操纵时， 又不至于有过于灵敏的反应。-非线性整形 n过载限制器：用于保证过载指令永远不超过最大 允许值，对YF16飞机来讲，过载的最大允许范 围为（-48）g。原因是：飞机在高速飞行时虽然 迎

18、角不大，但若操纵过猛，也会出现很大的法向 过载，严重时可导致飞机结构破坏。为此在指令 模型前设置一个非对称的限幅电路。过大的过载 指令信号经限幅电路后，其输出电压的最大值受 到限制，从而限制了平尾的最大偏转角，也就限 制了飞机最大法向过载，确保飞机安全。 n迎角/过载限制器：飞机低速飞行时，法向 过载一般不大，但若操纵疏忽，迎角超过 某值，就可能使飞机的纵向运动由静稳定 变成静不稳定；超过失速迎角时，会造成 飞机失速。为此需要设置迎角限制值 。 此外当实际迎角大于某值时，（ ），飞 机静稳定性导数 的值开始正向增大，即 静稳定度变大。如果迎角反馈强度不够， 则可能使等效飞机不稳定。为增加迎角反

19、 馈信号强度，在系统中设置了 值。 1 L 2 L m C 2 L n实际迎角 时，经迎角/过载限制器 输出的电压信号 ；（限制器不工作） n当 时， ； n当 时， 。 引入较强的负反馈，以大大减小驾驶员指 令信号，从而限制迎角在某一范围之内， 保证低速飞行安全。 1 L 0 U 21 LL 较小 11 kkU 2 L 较大 22 kkU n 此 外 在 迎 角 / 过 载 限 制 器 输 入 端 还 引 入 信 号 ，因为 ，所以此信号实际上与 成正比。 不仅取决于迎角 ，而且还与过载 有关，即该限制器不仅能限制 ，还可限制过 载 ，具体哪个量起作用取决于哪个量先达到预 定限幅值，故称为迎

20、角/过载限制器。 n总之，引入过载限制器、迎角/过载限制器是用来 防止飞行员操纵疏忽而危及飞机安全的一种保护 措施。前者从信号输入端、后者从反馈端进行保 护，大大改善了飞机操纵性能。 qkkU qpnz 1 z n U g q z n z n z n U n自动配平网络：在系统正向回路中引入自 动配平网络 。当开关处于图时位置时， 系统具有中性速度稳定性控制律（NSS）， 当开关处于PSS位置时，系统具有正速度稳 定性控制律。对于NSS，是由积分器构成的 控制环节，传函为: sFA S kS S k SF AA A 1)( 由FA（S）可知： n在高频区此环节近似为一个比例环节，使 整个系统具

21、有快速响应的优点。 n在低频区此环节近似为一个积分环节，使 系统具有一阶无静差的特点（即中性速度 稳定性NSS） n有了这个自动配平网络，可使驾驶员在完 成操纵后，可以松杆。 在场域飞行阶段 n控制律转换为PSS , ，系统变为比例 环节。此时飞机的阻尼可能会减小，因此引入 1)( sF A q U n放宽静稳定性回路：放宽静稳定度（RSS） 是主动控制技术的主要功能之一，对提高 飞机性能有重要意义。它不仅可以减轻飞 机重量，降低燃油消耗，更重要的是可以 大大提高战斗机的机动性。 n放宽静稳定度：为获得高机动性，常将飞 机设计成亚音速飞行时静不稳定或接近中 立稳定，而超音速飞行时是静稳定的。此 方法称为放宽静稳定度