民用飞机自动飞行控制系统：第3章 阻尼增稳电传

1、 现代飞机上常用的增稳系统或阻尼器系统，也是一种控制系统，但它不是用来实现飞机的自动飞行控制，而是用来改善飞机的某些特性，实现所要求的飞行品质和飞行特性。这种系统虽不实现自动飞行控制，但它们仍是一种用于飞行的控制系统，成为飞机飞行不可缺少的组成部分。第3章 阻尼增稳和电传操纵系统3.1.1 偏航阻尼器(又称荷兰滚阻尼器)（1）偏航阻尼器的功能 提高飞机的荷兰滚阻尼。（2）偏航阻尼器的基本控制方案 增大偏航阻尼力矩的一种人工方法，就 是直接测量飞机的偏航角速度r作为馈量， 并使方向舵偏转角与r成比例： （3.2） 式中 为传递系数。 3.1 飞机阻尼器系统（3）基本控制结构 偏航角速率陀螺，测量

2、飞机的偏航角速度； 控制器产生控制信号； 复合舵机(串联)。 （4）控制规律系统原理框图为 引入洗出网络原因倾斜转弯时产生偏航角速度产生常值舵偏 产生附加阻尼力矩，阻尼飞机偏转，降低飞机的偏航角速度。 同理，驾驶员用脚蹬操纵方向舵，控制飞机作有意识偏航（盘旋）时，也会发生类似问题，即偏航阻尼器将会降低驾驶员的操纵效率。 为了克服偏航阻尼器对稳态转弯速率的影响，常在控制器中加入一种“洗出网络”的控制算法。 其中， 为清洗网络的时间常数。 主要特征：若某个环节的输入信号等于常数（或 变化很缓慢），则输出为零（或近似为零）。人工操纵、自动驾驶状态，该环节都在起作用。 方向舵偏转权限：510%。系统中

3、加入“洗出网络”后 ，当飞机作稳态盘旋时（r=常数），“洗出网络” 输出近似为零，即控制器输出和方向舵偏转均为零，即不会产生阻碍稳态转弯的控制。 -主要用于改善飞机稳态操纵特性。加入洗出网络的系统原理框图俯仰阻尼器的主要作用和功能就是用来改善飞机的纵向短周期运动的阻尼特性。3.1.2 俯仰阻尼器 飞机俯仰阻尼器系统的方框图 适当选择阻尼器的控制律增益 ，可增大 阻尼比，改善飞机的阻尼特性； 增加阻尼器后可使飞机的固有频率增加； 增加阻尼器后，系统的静操纵性减小了，也就是说，静操纵性随着阻尼比增大而减小，是以牺牲静操纵性换来阻尼比的改善的。结论 功能：用来改善飞机-阻尼器系统的滚转阻 尼特性。

4、方框图： 3.1.3 滚转阻尼器 采用阻尼器可提高飞机阻尼比； 阻尼器对固有频率的影响不大。 当飞机在大迎角状态下飞行时，纵向静稳定性导数随着迎角的增大而变大，甚至变为正值，使得飞机的纵向静稳定性变差。飞机难以操纵，必须应用增稳系统改善飞机的静稳定性和动稳定性。 3.2 飞机增稳控制 3.2.1 关于飞机的静稳定性 1.纵向静稳定性 静稳定 静不稳定 中性稳定 2. 放宽飞机的过载（迎角）静稳定性效益减少飞行阻力 -提高爬升率； -提高升限； -增大航程静稳定的飞机 式中， 为焦点距平均气动弦前缘的无因此距离； 为重心距平均气动弦前缘的无因此距离。结论：若使飞机具有过载静稳定，飞机的重心要位于

5、 焦点的前边。后果：为了配平，即气动力矩平衡，飞机的平尾必须 前缘向下，产生向下气动力，使飞机力矩平衡。 为此，需增大机身的升力，以补偿平尾上的负升。 结果须增大配平的迎角。 飞机的阻力增大 飞机发动机的推力和燃油消耗量增加，并降低飞机的机动性能。 放宽飞机的过载（迎角）静稳定性,则可减少飞行阻力，从而提高飞机的机动性能。 3.2.2 增稳控制系统的构成 （1） 引入迎角反馈信号构成闭环控制系统-控制规律-适当调整 可使飞机由纵向不稳定变为稳定。-等效地改变了静稳定性。-缺点：迎角测量精度低；噪声较大。系统组成（2）引入法向过载反馈构成闭环控制系统 表明迎角与法向过载有一定比例关系。 -测量法

6、向过载构成系统。 可采用下面的控制律： （3） 迎角与俯仰角速度组合反馈控制 -前种方法缺点：短周期阻尼比降低，振荡增大。 -控制方案：测量迎角及俯仰角速度，控制升降舵： -优点：增稳及增大阻尼。 -阻尼器或增稳系统改善飞机的阻尼和稳定性。 -增稳系统引入反馈信号与飞行员指令信号的综合，影响了飞机的操纵性能，降低了飞行员的操纵灵敏度 。3.3 控制增稳系统俯仰控制增稳系统的方框图俯仰控制增稳系统的工作原理 驾驶员的操纵信号经由不可逆助力操纵系统构成的机械通道使升降舵面偏转 ； 驾驶员的操纵信号同时又经前馈电气通道，由杆力传感器kp(s)产生电压指令信号，通过指令模型M(s)形成满足操纵要求的电

7、信号，再与增稳回路的反馈信号综合后使升降舵面偏转 ； 机械通道与前馈电气通道产生的操纵信号是同号的，总的升降舵面偏转为 即前馈电气通道可使驾驶员的操纵量增强。 由于电气通道是采用前馈形式，因此可以使系统的开环增益取得很高，又不会减小系统的闭环增益而降低静操纵性，这是俯仰控制增稳系统的显著特点之一。利用这一特点可以通过提高前馈电气通道的增益，以补偿由于增稳反馈回路的增益取得很大时，所造成系统的闭环增益减小问题，从而改善系统的静操纵特性。 具有增稳系统的反馈通道； 操纵杆指令变成电信号，处理后送入增稳 稳系统中； 前馈控制器对杆指令进行平滑处理。 系统即有增稳作用又可以改善操纵特性。 权限增大。

8、控制增稳系统-结论 在座舱中，驾驶员移动驾驶杆或脚蹬,通过操纵系统偏转位于不同翼面上的气体操纵面，实现对飞机运动的控制。一.飞机操纵系统的发展 1. 全机械操纵系统 ：钢索软式 拉杆硬式操纵3.4.1 飞机操纵系统的发展 3.4 电传操纵系统 2. 半助力的机械操纵系统 液压助力器 安装在操纵系统中 通过拉杆或钢索感受舵面上所受到的气动力 依据这种感觉来操纵飞机。 3.全助力操纵系统 -人感系统：产生驾驶员操纵感觉 驾驶员操纵指令 控制助力器上的分油活门 助力器 改变舵面的偏转 。 （存在问题：驾驶杆上所承受的杆力与飞行状态无关，驾驶员无法从杆力的大小来感受飞机飞行状态的变化） 系统中增加人感

9、装置（用弹簧，缓冲器以及配重等构成的系统） 提供驾驶杆上所受的人工感力 驾驶杆的操纵情况随飞行状态变化 利用特定的力臂调节器等来实现。 4. 具有增稳功能的全助力操纵系统 将人工操纵系统与自动控制结合起来，将增稳系统引入到人工操纵系统中。 做法：角速率陀螺（加速度计） 测量飞机相关变量的变化 形成人工阻尼和增稳信号 通过串联或并联舵机操纵舵面 飞机在高空或高速条件下仍具有满意的操纵品质。 增稳系统是飞机的组成部分，驾驶员操纵的犹如一架具有优良品质的“等效飞机”。 （特点：增稳系统和驾驶杆互相独立，舵面既受驾驶杆机械传动指令控制，又受增稳系统产生的指令控制，为安全起见，增稳系统对舵面操纵权限受到

10、限制，一般仅为舵面全权限的36%。） 5. 控制增稳系统 将驾驶员操纵驾驶杆的指令信号变换为电信号，并经过一定处理后，引入到增稳系统中，作为增稳系统的指令输入信号，控制舵机的运动 。 （ 控制增稳系统权限可增大到全权限的30%以上 ） 从控制增稳发展电传操纵系统的主要原因 机械操纵系统结构复杂，重量重，占据空间大； 机械传动系统传输的死区、间隙等特性，影响对 飞机的操纵，容易引发人机耦合振荡。 控制增稳系统对舵面的操纵权限有限，很难满足 对飞行品质改善的要求。 产生这些缺点的根本原因是机械杆系的存在，那 么能否取消机械杆系呢？回答是肯定的。 所以，电传操纵系统为解决现代高性能飞机操纵 系统中的

11、许多问题，提供了更有效的方法。 目前国内外许多军机和民机上都采用了这种系统。一.概念 电传操纵系统是将驾驶员操纵装置发出的信号转换成电信号，通过电缆直接传输到自主式舵机的一种系统。 电传操纵系统就是一个全时全权限的“电信号系统+控制增稳”的飞行操纵系统。3.4.2电传操纵系统 (FBW-Fly-by-wire)概述 二 电传操纵（Fly-by-wire, FBW）系统 将控制增稳系统中的机械操纵部分完全取消，驾驶员的操纵指令完全通过电信号，利用控制增稳系统实现对飞机操纵。-也称为电子操纵系统 三.电传操纵系统的发展与应用电传操纵系统的发展 1上世纪50年代末: 电传操纵系统出现 第一架采用电传

12、操纵系统的作战飞机是F-111，该机于1964年开始飞行 ，当时采用了三余度带机械备分的模拟式系统。之后在其它型号的飞机（如“狂风”战斗机，F-8C飞机，西德的F-104G、波音YC-14短距起落运输机等）也进行了电传操纵系统验证，并且开始采用数字式系统。 * 最初电传操纵系统的特点: 为了安全可靠，都带有机械备份系统。 2. 六十年代中期 ：无机械备份的电传操纵系统 （全电传（Full fly-by-wire，FFBW）操纵系统） 美国F-16轻型战斗机世界上第一架无机械备份的模拟式电传操纵系统的飞机 。 3. 八十年代：数字式电传操纵系统 英国 “美洲虎”战斗机 1981年首次试飞。 （第

13、一架无任何机械备份的数字式电传操纵系 统的飞机。） （1）电传操纵系统的可靠性技术 可靠性要求：致命故障概率： -军用飞机：10-7/飞行小时； -民用飞机： 10-9/飞行小时； -单套电系统：10-3/飞行小时。 解决方法 *提高各元部件的可靠性。潜力不大； *构成余度电传操纵系统：用功能相同但可 靠性较低的多套系统同时工作，以获得高可靠性 的系统，即通过增加资源来换取高可靠性 。3.4.3 电传操纵系统的关键技术 余度电传系统应满足如下条件： 具有故障监控和信号表决的能力； 具有故障隔离能力，即将故障部件断开后，系统 仍能继续工作； 具有重新组织能力，即在性能稍有降低的情况下， 仍能继续

14、承担任务。 采用非相似余度技术，防止相同的多重系统共点 故障。 采用备份系统 -当正常余度系统完全失效时，能自动接通备份 系统，以实现操纵和控制飞机； -机械备分系统简单、性能稍差，可靠； -模拟式；数字式；应急机械备分。（2）控制增稳系统控制律设计 精心设计控制增稳系统中的前馈、反馈以及正向通道的控制器实现所要求的飞行品质（稳定性、操纵性、最佳的和随飞行状态很少变化的操纵杆力梯度、位移梯度等）。（3）机内自检测和飞行监控技术 满足电传操纵系统的飞行安全和维护要求，达到系统可靠性和故障工作要求。（4）四防设计 防电源中断、防失掉液压源、防雷电和防电磁 干扰 三. 电传操纵系统特征 1.电传操纵

15、系统主要靠电信号传递飞行员操纵指令。 这种系统中不再含有机械操纵系统。 当取消了控制增稳系统中机械传动的操纵作 用后，仅保留电信号的操纵，该系统就是 FBW。 “电信号系统+控制增稳系统” 又称为电子操纵系统。2. 控制增稳系统是电传操纵系统不可分割的组成部分。 如果没有控制增稳功能，系统仅能称为电信 号系统，而不能称为电传操纵系统。四.存在的问题 1.全时全权限的电传操纵系统必须要具有相当于 机械操纵系统的可靠性，而要达到这种要求需 要付出极高的代价。 2.成本比较高 采用余度系统提高系统的可靠性。 3.易受雷电和周围环境电磁干扰的影响。 解决防雷电和电磁相容性问题，是电传操纵 系统设计中的

16、重要问题。（光传操纵系统）3.4.4 B777飞机电传飞机操纵系统实例 1.B777飞机与主飞行操纵系统 B777飞机是美国波音飞机公司制造的一种中远程宽体运输机。飞机采用了传统外型布局，下单翼外挂两个发动机吊舱，水平安定面/升降舵以及垂直安定面/方向舵位于机尾。为了增加低速飞行的升力以便进行起飞和着陆，机翼上除了外侧副翼和襟副翼外，还安装了增升装置：每侧有外侧后缘襟翼、内侧后缘襟翼和克鲁格襟翼各一块以及七块前缘缝翼。每侧大翼上还有七块扰流片，以帮助空中操纵和着陆减速。 B777飞机的飞行操纵面两个升降舵和一个活动的水平安定面： 实现俯仰控制；两个襟副翼和两个副翼、14块扰流板： 完成横滚的控

17、制，在正常方式时，襟副翼 都是用来控制横滚的； 偏航由惟一的一个几乎与垂直尾翼一样高 的方向舵控制。方向舵下段有一活动部份，提供附加的偏航控制 能力。 B777的飞行控制系统主要由三大部分构成 （1）电传操纵系统(主飞行操纵系统) (Primary flight control systemsPFCS) （2）自动飞行控制系统 （3）自动油门系统 B777主飞行操纵系统基本组成电传操纵系统主要由以下部件组成: 主飞行计算机 (PFC：primary flight computer) 作动筒控制电子装置 (ACE：Actuator Control Electronics) 动力控制组件 (PCU

18、：Power Control Unit) 杆位置传感器(position transducers) 人感系统(Feel units) 大气数据及惯性基准组件(ADIRU) 飞行控制ARINC 629总线。2. 系统的余度技术 PFC ：3余度 每个PFC由三个支路组成：指令、备用、监控 每个支路的处理器是非相似的： AMD29050； Motorola68040； Intel80486。 软件是用不同编译系统实现的。 其它部件 ACE：4余度； ARINC629：3余度； 杆位移传感器：46余度；PCU：不同余度。3.电传系统的工作模式 电传操纵系统有如下几种操纵方式： 正常方式、次要方式、直接方式和备用机械操纵。 正常操纵方式 各种功能均可实现 人工飞行时，正常方式，作动筒电子控制装置接 收飞行员操纵输入信号，并把这些信号送给三台主飞行控制计算机系统（PFCS） ，PFCS利用这些信号和来自其它飞机系统的有关信息，按设计的控制规律计算出操纵面指令。这些指令又被送到作动筒电子控制装置（ACES），ACES把这些指令分发给相应操纵面作动筒。电传系统的工作模式 正常模式 次要工作方式 缺少反馈信号或PFCS有故障，自动进入； 电传功能降级，其他功能取消( A/P，F/D 等)。 直接工作方式 当三台PFCS信号中断后，自动转到该方式； 驾