飞机操纵系统第1章

自动飞行控制系统第1章概论北京航空航天大学1飞机飞行控制系统1．1飞行控制系统作用1)实现飞机的自动飞行： 自动飞行控制就是利用一套专门的系统，在无人参与的条件下，自动操纵飞机按规定的姿态和航迹飞行。 自动飞行的好处:·长距离飞行解除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作担；·在坏天气或复杂的环境下，驾驶员难于精确控制飞机的姿态和航迹，自动飞行控制系统可以实现对飞机的精确控制；·有一些飞行操纵任务，驾驶员难于完成，如进场着陆，采用自动飞行控制则可以较好地完成这些任务。2).实现对飞机性能的改善 飞机的性能和飞行品质是由飞机本身的气动特性和发动机特性决定的。 随着飞机的飞行高度及速度的逐渐扩大，飞机的自身特性变坏，如飞机的阻尼下降。 现代飞机设计时，常将飞机设计成是静不稳定的。静不稳定的飞机，驾驶员是难于操纵的。 现代飞机上常用的增稳系统或阻尼器系统，这些系统也是飞行控制系统，其作用是改善飞机的性能。 飞机现代飞行控制系统的作用：----实现飞机的自动飞行；----改善飞机的特性，实现所的飞行品质和飞行性能。1.2飞行控制系统基本工作原理及组成1).飞机人工驾驶的基本过程各部分的功能是:·飞机：被控的对象；·手臂及驾驶杆：执行机构；·地平仪、眼睛：反馈测量部件；·大脑：控制器和比较部件，形成误差，产生控制指令。闭环负反馈原理 ----从信息流动途径看是“闭环负反馈”的过程；----实质是“测量偏差，纠正编差”控制。2飞行控制系统 参照人工驾驶的原理构成飞行控制系统。 飞机：被控对象。具体一个系统的被控物理参数可能是飞机某一个运动参数，如俯仰角，高度或倾斜角等。被控的参量通常称为被控量。 执行机构(又称舵机或舵回路)接收控制指令，其输出跟踪控制指令的变化，并输出一定的能量，拖动舵面偏转。 反馈测量部件它测量和感受飞机被控量的变化，并输出相应的电信号。不同的被控量需采用不同的测量元件。 综合比较部件将测量的反馈信号与指令信号进行比较，产生相应的误差信号。这种功能可以与控制器的功能组合在一起。 控制器依误差信号和系统的要求，进行分析、判断，产生相应的控制指令。目前，这种功能均用数字计算机来实现。 操纵指令部件给定系统的输入指令信号，它通常是被控量的期望值。 组成中，除被控对象外的其它部件组合称为控制装置，在飞行控制系统中常称为自动驾驶仪。3)现代飞机的飞行控制系统总体构成总体上是由图所示的三个典型回路组成的。 内回路：---主要的功能是实现对飞机性能的改善，如增加阻尼，增强稳定性等，又常称其为增稳回路。---该回路单独工作时，接收驾驶杆的操纵信号，即驾驶员必须通过内回路来操纵飞机运动。---外回路工作时，外回路产生的指令信号只能通过内回路操纵飞机。 外回路：----完成自动驾驶功能，实现姿态角控制以及速度控制。----自动飞行控制时，驾驶员一般将不能用驾驶杆操纵飞机。控制指令将由驾驶员通过专门的模态控制板输入系统。----外回路所产生的指令信号只能通过内回路控制飞机的运动。 导航回路(导引回路)：----利用导航系统的数据，利用内回路与外回路实现飞机航迹的控制(包括水平航迹与垂直航迹)。----飞机的航迹是通过姿态控制实现的，导航回路所产生的指令也必须通过外回路来实现。 1.3飞行控制系统的发展---1912年诞生简单姿态稳定系统；---2次世界大战期间发展典型自动驾驶仪系统；飞机及导弹；---2次世界大战后发展航迹导航自动控制系统；---50年代开始发展阻尼器、增稳系统；---70年代进一步发展控制增稳及电传操纵系统及主动控制技术；进行验证及开发，F-16A/B；86年A320---70~80年代发展飞行管理系统。12典型飞行控制系统---A320飞行控制系统概述2.1概述 A320-200飞机是一种中短程运输机，其最大起飞重量为73500公斤，燃油量为19600公斤，最大航程为3000海里，最大旅客座位为180座。 A320-200飞机具有很高的安全性和自动化程度。----装备有飞行管理引导系统（FMGS），将自动驾驶与飞行管理组合成一个系统。---飞行员可以完全不用或选择部分或全部自动飞行控制的功能来实现对飞机的控制；---通过使用自动控制的最高自动化等级，飞行员可以完全不操纵飞机，只需监视飞机的飞行状态就可完成航线飞行，甚至在进近状态下，飞机也可以完成自动着陆或复飞。 A320飞机第一次在主操纵舵面（升降舵和副翼）采用了纯电传操纵系统。---由于采用了电传操纵系统，比机械式驾驶盘操纵要灵活得多。---电传操纵极大地改善了飞行品质。甚至能使不同类型的飞机彼此具有相似的飞行品质。---实现部分主动控制功能(如阵风载荷减缓等)。 主操纵面---纵轴：升降舵、平尾；---航向：方向舵；---滚转：副翼、扰流片。2.2A320飞机飞行控制系统构成 组成部分1)电传操纵系统(FBW)：改善飞行品质和人工操纵---由升降舵和副翼计算机(ELAC)及扰流板和升降舵计算机(SEC)形成对升降舵、副翼和扰流板的操纵；---由飞行增多计算机(FAC)对方向舵的操纵；---平尾及方向舵可由驾驶员通过机械系统手动应急配平，也可通过附加伺服机构电传操；---推力控制由全权限数字发动机控制器(FADEC)控制。---采用侧杆操纵器和脚蹬。2)飞行管理和引导控制系统：自动飞行和引导---飞行管理和引导计算机(FMGC)；．完成飞行管理(FM)；．完成自动驾驶(A/P)；．完成自动推力控制(AT)；．完成飞行指引(FD)。---FMGC产生的指令通过FBW实现对飞机的控制。3)共用传感器：系统状态测量．ADIRS(大气数据惯导系统)；．RA(无线电高度)；．ILS(仪表着陆系统)；．VOR(全向信标仪)；．DME(测距计)。4)座舱控制显示设备：实现人-机对话．FCU(飞行操纵单元)；．EIS(电子仪表系统)；．MCDU(多功能控制与显示单元)。2.3操纵方式1)人工手动操纵----侧杆通过FBW操纵升降舵/副翼/扰流板；----脚蹬通过FAC操纵方向舵；----配平可以由FBW及FAC或机构系统实现；----由FBW结构及参数保证飞机操纵品质。2)自动驾驶的自动飞行----FMGC实现飞行管理：导航、飞行计划管理、性能予测和优化)；----自动驾驶/飞行指引指令计算；----自动油门控制指令计算；----座舱显示器输出/输入管理；----所产生的操纵指令分别通过ELAC、SEC、FAC及FADEC执行。2.4控制模态1)FBW的控制模态：保证满足飞行品质要求；----起飞、着陆控制系统如何构成和工作；----巡航阶段控制系统如何构成和工作；----如何实现飞机载荷减缓及包线保护；----如何实现增稳和增强阻尼2)AP/FD各种功能：保证实现要求的功能----垂直速度控制；----等高度控制；----速度控制；----速度、高度预置控制；----方位角控制；----VOR控制；----水平航迹控制；----自动着陆轨迹控制等。 本门课的主要目的：了解和初步掌握----飞行控制系统的组成及工作原理基本概念；----FBW功能、组成和工作原理的了解；----A/P主要功能的实行原理；----FMS主要功能及工作原理。 为ATPL考试进行必要准备：----商用驾驶员执照理论考试大纲5.26.6飞行管理系统（FMS）5.27自动飞行控制系统5.27.1飞行指引5.27.2自动驾驶仪5.27.3H飞行包线保护5.27.4偏航阻尼器/增稳系统----航线运输驾驶员执照理论考试大纲4.5.5飞行管理系统（FMS）4.6自动飞行控制系统4.6.1自动驾驶（AP）4.6.2飞行指引仪（FD）4.6.3自动驾驶、飞行指引系统4.6.4自动油门（AT）4.6.5自动飞行4.6.6自动飞行中的飞行包线保护4.6.7偏航阻尼器和自动俯仰配平附录自动控制理论简介1按偏差调节的闭环控制 闭环负反馈控制的基本原理是“检测偏差，纠正偏差”2自动控制系统的分类：多种分类方法。 连续模拟式系统：系统中控制器是由模拟式部件构成的； 计算机控制系统：计算机参与控制，系统中的控制器由数字计算机来完成。 现代飞行控制系统均为计算机控制系统。3控制系统结构图表示:自动控制系统最简单和直观的一种描述方法是用典型的方块图表示的。 控制系统均可由下述几种典型的环节方块图表示:·综合比较环节：其输入输出关系为E=x±y。·系统环节：y(t)是环节输出，x(t)是环节输入，环节表示输入与输出之间的不同关系。·分岔点：它表示信号从分岔点向不同方向的传递，它仅表示信号的走向，并不表示信号大小的分流。·信号线：其箭头表示信号的流动方向。 从(r)到(c)之间的关系表示的是闭环负反馈系统； 从(a)到(b)之间的关系称为开环系统； 从(a)到(c)的关系称为正向通道； 从(c)到(b)的关系称为反馈通道。 系统主要环节(1)放大环节：该环节的输入输出关系是y(t)=kx(t)(2)积分环节：该环节的输入输出关系是(3)微分环节，该环节的输入与输出的关系为 还有一阶惯性环节和二阶振荡环节。 4控制系统的性能指标 稳定性：若一个系统处于平衡状态，受到外界干扰，偏离了原平衡状态。干扰消失后，系统能自动恢复原平衡状态，则称该系统是稳定的，否则是不稳定。 动态特性的要求---峰值时间tp:输出y(t)达到最大值的时间；---调节时间ts:输出y(t)达到稳态输出y()的5%误差带，但又不重新退出该误差带的时间。---超调量%：超调量定义为： ．一般说，tp，ts 反映了过程的快速性； %反映了运动的平稳性。 ---通过改变控制器的形式 和参数达到设计者的要求。 静态特性要求（静差）---当t趋于无限大（即较长时间后），系统被控量巳趋于平衡（即巳达到新的平衡状态），系统被控量的稳态值与理想值之差，称为稳态误差。---稳态误差=（期望的稳态值实际的稳态值）---与系统结构和开环放大系数有关，也与输入信号的大小和形式有关。 抗干扰能力---要求系统抑制干扰的能力强---决定于系统的结构、参数和干扰的特性5改善系统性能的方法1)串联校正：在控制器信号传输通道中串接一定特性的校正环节---改变控制器信号传输的放大倍数增大放大系数K的好处是：·增加系统响应的快速性；·可以减少稳态误差。·通常会使稳定程度降低---在控制器中接入一个微分环节．减少阶跃响应的超调量，降低调节时间。．缺欠是对输入的高频噪声较为敏感。---在控制器中串接积分环节．优点是可以提高系统的稳态精度。．如果输入是单位阶跃信号时，稳态误差将等于零。．对象上作用常值干扰，可以消除干扰所引起的稳态误差。2)反馈校正 最常用方法是在与被控量的负反馈相并行引入被控量的微分信号的负反馈，如图所示。 减少系统输出的超调量，减小调节时间。 可以减少被控对象特性变化时对被控量的影响。