1、学习情景 1 课程导论1.飞行控制系统发展概述自动飞行控制系统已有 100 多年的研制历史，早在有人驾驶飞机出现之前，自动飞行装置即已出现。1.1 方向稳定器1873 年，法国雷纳德（C.C.Renard）无人多翼滑翔机的方向稳定器。1.2 电动陀螺稳定装置-姿态稳定1914 年，美国的爱莫尔斯派雷（Eimer Sperry）研制成功第一台可以保持飞机稳定平飞的电动陀螺稳定装置，该装置利用陀螺的稳定性和进动性，建立一个测量基准，用来测量飞机的姿态，它和飞机的控制装置连在一起，一旦飞机偏离指定的状态，这个机构就通过飞机的控制装置操纵飞机的舵面偏转使飞机恢复到原来的状态 。1.3 自动驾驶仪20
2、世纪 30 年代出现了可以控制和保持飞机高度、速度和航迹的自动驾驶仪。 第二次世界大战促使自动驾驶仪等设备得到进一步发展，由过去气动-液压到全电动，由三个陀螺分别控制三个通道改用一个或两个陀螺来操纵飞机，并可作机动、爬高及自动保持高度等。 二次大战期间，美国和原苏联相继研制出功能较完善的电气式自动驾驶仪 C-1 和其仿制品 A-5； 德国在二战后期研制成功飞航式导弹 V-1 和弹道式导弹 V-2，更进一步促进了飞行自动控制装置的研制和发展。 20 世纪 50 年代后，和导航系统、仪表着陆系统相联，自动驾驶装置实现了长距离自动飞行和自动着陆。1.4 自动飞行控制系统1947 年成功突破音障后，飞
3、机的飞行包线（飞行速度和高度的变化范围）扩大，越来越复杂的飞行任务对飞机性能的要求也越来越高，仅靠气动布局和发动机设计所获得的飞机性能已经很难满足复杂飞行任务的要求。因此，借助于自动控制技术来改善飞机稳定性的飞行自动控制装置（如增稳系统）相继问世，在此基础上，自动驾驶仪的功能得到进一步的扩展，发展成为自动飞行控制系统（AFCS） 。 20 世纪 60 年代，产生了随控布局飞行器（congtrol configured vehicle-CCV）的设计思想。 20 世纪 60 年代前的以模拟电路或模拟计算机为主要计算装置的飞行控制系统，逐渐发展成为现在已普遍应用的数字式飞行控制系统，这也为新技术应
4、用和更复杂更完善系统的综合提供了实现的可能性。例如： 主动控制技术（active control technology ACT） ； 余度技术 容错控制技术 20 世纪 80 年代得到迅速发展的火/推/飞综合控制系统等。 20 世纪 70 年代中期，由于计算机的应用使自动驾驶仪和飞机的指引系统组成一个综合系统，使飞机的各种传感器数据、指引与控制系统已在飞行管理系统中，从而实现了更高程度的自动化。 20 世纪 70 年代末期，计算机和控制技术的迅速发展，使自动驾驶仪的功能迅速扩展。 在现代化的大中型民航客机上，自动飞行控制系统通常包括自动驾驶仪、飞行指引系统、自动油门系统、偏航阻尼系统、安定面自
5、动配平等。2.自动飞行控制系统的基本概念（1） 飞行控制通过某种手段，使用一定的设备，从而实现对飞行器的飞行运动和模态变化所进行的控制。（2）飞行运动和模态变化飞行器的飞行运动和模态变化，包括其重心的线运动、绕重心的角运动，以及飞行器的几何形状与结构模态的改变。（2） 飞行器是对可以在大气层内或在外层空间中飞行的装置的统称。 无人驾驶飞行器 有人驾驶飞行器（3） 飞行控制系统实现飞行器飞行控制所使用的设备（由装置、机构组成并建立的开环或闭环信息传递链） ，称之为飞行控制系统。3.飞行控制系统的分类（1） 人工飞行控制系统由驾驶员通过对驾驶杆和脚蹬的操纵实现控制任务的飞控系统，称为人工飞行控制系
6、统。（2） 自动飞行控制系统不依赖于驾驶员操纵驾驶杆和脚蹬指令而自动完成控制任务的飞控系统，称为自动飞行控制系统。自动驾驶仪操纵飞机的方框图按采用的飞行操纵系统分类 机械式飞控系统 液压式飞控系统 电传飞控系统 模拟式电传飞控系统 数字式电传飞控系统 光纤式飞控系统（光传飞控系统） 电驱式飞控系统 智能式飞控系统4.飞行控制系统的基本组成在现代化大中型民航客机上，自动飞行控制系统通常包括：（1） 自动驾驶仪(A/P)；（2） 飞行指引仪(F/D)；（3） 安定面配平系统(STAB/T)；（4） 偏航阻尼器(Y/D)；（5） 自动油门系统(A/T)民用飞机飞行控制系统的基本组成 按照 ATA10
7、0 对飞机系统内容的编排，自动飞行控制系统属于ATA100-22 章节的内容。 人工飞行控制系统是由驾驶员手动操纵的主辅飞行操纵系统，属于 ATA100-27 章节的内容。 军用飞机自动飞行控制系统除了上述 ATA100-22 章节的内容，还有自动地形跟随和自动地形回避系统，与火控系统交联控制以及其它一些特殊控制要求的系统。5.自动飞行控制系统的作用 增加飞行安全 改善飞行品质 减轻驾驶员负担 学习情景 2 自动驾驶仪学习单元 1 自动驾驶仪基础1. 基本原理 驾驶员控制飞机飞行的过程，如图 1-1； 自动驾驶仪控制飞机飞行的过程，如图 1-2； 自动驾驶仪控制飞机飞行过程中，敏感比较元件、放
8、大计算装置和执行机构可以代替驾驶员的眼睛、大脑神经系统与肢体，自动控制飞机的飞行。 敏感比较元件、放大计算装置和执行机构是自动飞行控制系统的核心，即自动驾驶仪。 自动驾驶仪是利用反馈控制原理（负反馈）来实现对飞机运动参数的控制。图 1-2 自动驾驶仪操纵飞机的方框图2. 描述飞机运动的参数 三个姿态角：俯仰角、倾斜角和偏航角。 三个角速度：俯仰角速度、倾斜角速度和偏航角速度。 两个气流角：迎角（或称攻角）和侧滑角。 三个线位移： 三个线速度： 两个航迹角：航迹俯仰角和航迹偏转角。自动飞行控制系统可在无人参与的情况下自动控制上述部分或全部参数，必要时还可以控制马赫数及法向过载等坐标系 复习空气动
9、力学 地面坐标系 机体坐标系 速度坐标系（气流坐标系）飞机的姿态角 机体坐标系与地面坐标系的关系 俯仰角：机体纵轴与其在地平面投影线之间的夹角。以抬头为正； 偏航角：机体纵轴在地平面上的投影与选定方向间的夹角。以机头左偏航为正（机头方向偏在预选航向的右边） 。 滚转角：又称倾斜角，指机体竖轴（飞机对称面）与通过机体轴的铅垂面间的夹角。飞机右倾斜时为正。飞机的轨迹角 地速坐标系与地面坐标系间的关系 航迹倾斜角 航迹偏转（方位）角 s 航迹滚转角 s气流角空速坐标与机体坐标系的关系 迎角 侧滑角 3. 基本组成 测量元件或称敏感元件用来测量飞机的运动参数，俯仰角、倾斜角和偏航角，如： 速率陀螺测量
10、角速度； 垂直陀螺测量飞机的俯仰角、倾斜角（或称滚转角） ； 航向陀螺测量飞机的偏航角等 信号处理元件（或称计算元件）把各种敏感元件的输出信号处理为符合控制规律要求的信号，包括有综合装置、微分器、积分器、限幅器、滤波器等 放大元件放大上述处理过的信号的元件，一般指功率放大。 执行机构根据放大元件的输出信号带动舵面偏转的机构，亦成为舵机。4. 主要功用当自动驾驶仪衔接后，可以实现的主要功能有： 自动保持飞机沿三个轴的稳定（姿态稳定） ； 接受驾驶员指令，操纵飞机以达到希望的俯仰角、航向角、空速或升降速度等； 接受驾驶员的设定，控制飞机按预定的高度、预定的航向飞行； 与飞行管理计算机系统耦合，实现
11、按预定飞行轨迹的飞行； 与仪表着陆系统（ILS）耦合，实现飞机的自动着陆（CAT, , 等）5. 分类 自动驾驶仪可以按其控制规律来划分，也可按实现控制的手段来划分，还可按控制轴的数目或实现解算的手段来划分。 自动驾驶仪常用的分类方法是按其控制规律来划分。 所谓控制规律通常是指自动驾驶仪输出的舵偏角与信号的静、动态函数关系。5.1 按控制规律分类 比例式自动驾驶仪 积分式自动驾驶仪5.2 按控制坐标轴个数分类（1）单轴式最简单的单轴式自动驾驶仪通过副翼控制飞机的倾斜轴，称作平飞器，最早出现在轻型飞机，它使驾驶员从长途飞行中解脱出来。（2）双轴式可控制倾斜轴和偏航轴，能和导航设备交联，实现平飞以
12、及飞行方向的控制，如保持航向或航道等。（3）三轴式用于俯仰、倾斜和偏航轴的控制，可以保持飞机平飞，保持无线电航道，保持气压高度或升降速度。 俯仰轴（通道）是通过控制升降舵，利用姿态的改变来实现飞机的爬升与下降或实现对速度或高度的稳定； 倾斜轴主要是利用副翼对倾斜角进行稳定，实现定向飞行。 偏航轴利用方向舵来实现。现代飞机的自动驾驶仪通过与飞行管理计算机系统交联，与自动油门系统协同工作，可以按照预先制定的飞行计划，实现从起飞后的爬升、巡航、下降、进近知道着陆各飞行阶段上的自动控制，包括三轴姿态、发动机推力以及改平并过渡到减速滑跑等控制。现代民航大型客运飞机上普遍装有这类自动驾驶系统，具备三类仪表
13、着陆能力。6. 舵回路、稳定回路和控制回路 自动驾驶仪工作时，以飞机为控制对象，实现飞机不同参数的控制与稳定。 自动驾驶仪实现不同的功能，完成不同的飞行任务，要求组成不同的反馈控制回路。 自动驾驶仪工作回路通常由以下四个回路组成： 同步回路 舵回路 稳定回路 控制回路6.1 同步回路 作用在自动驾驶仪衔接时，保证系统输出为零，即自动驾驶仪的工作状态与当时飞行状态同步。 基本组成现代飞机上的同步回路通常由两部分组成： FCC 内部的同步 作动筒的同步6.2 舵回路 自动飞行控制系统根据输入信号，通过执行机构控制舵面。 为改善舵机的性能，通常执行机构引入内反馈（将舵机的输出信号引到输入端） ，形成
14、随动系统或称伺服回路，简称为舵回路。 舵回路由舵机、放大器及反馈元件组成。 反馈元件包括测速电机、位置传感器，构成舵回路的测速反馈和位置反馈。 舵回路可用伺服系统理论来分析，其负载是舵面的惯性和作用在舵面上的气动力矩（铰链力矩）6.3 稳定回路 自动驾驶仪与飞机组成一个回路，该回路的主要功能是稳定飞机的姿态，即稳定飞机的角运动，称为稳定回路。 由于稳定回路中包含了飞机，而飞机的动态特性有随飞行条件而变化，使稳定回路的分析变得较为复杂。6.4 控制回路 稳定回路加上测量飞机重心位置或速度信号的元件以及表征飞机空间位置几何关系的运动学环节，组成更大的回路，称为控制回路或制导回路。 控制回路的作用是
15、实现对飞机重心的运动即飞机运动轨迹的控制。学习单元 2 角位移式自动驾驶仪控制规律及调节原理1. 概述 角位移式自动驾驶仪可以根据控制规律实现飞机三个姿态角的稳定； 所谓控制规律就是指控制器的输入量与输出量之间的关系； 自动驾驶仪是一种能够保持或改变飞机运动状态的自动控制器，其输入量与输出量之间的关系叫做自动驾驶仪的控制规律； 自动驾驶仪的输入信号来自飞机的某些运动参数或是从自动驾驶仪操纵装置来的控制信号； 自动驾驶仪的输出信号就是舵机的偏转角； 由于舵机是和舵面机械相连的，舵机与舵面之间只相差一个比例系数，所以可以认为自动驾驶仪的输出就是舵面的偏转角； 自动驾驶仪目前主要采用比例式和积分式两
16、种控制规律； 比例式控制规律指舵面偏转角与自动驾驶仪输入信号（被控量的偏差）之间成比例关系； 积分式控制规律是指舵面偏转角与自动驾驶仪输入信号（被控量的偏差）之间成积分关系，或舵面偏转角速度与自动驾驶仪输入信号（被控量的偏差）之间成比例关系。2. 分类 角位移式自动驾驶仪按控制规律不同，可以分为比例式和积分式两大类； 采用比例式控制规律构成的自动驾驶仪称作比例式自动驾驶仪，又叫有差式自动驾驶仪（结合典型控制器知识理解） ； 采用积分式控制规律构成的自动驾驶仪称作积分式自动驾驶仪，又叫无差式自动驾驶仪（结合典型控制器知识理解） 。3. 工作状态自动驾驶仪控制飞机有两种工作状态，即： 稳定状态 操
17、纵状态3.1 稳定状态 所谓稳定状态，是指稳定给定的基准状态，也就是稳定飞机沿三个轴的角运动，其目的是使飞机的飞行尽量不受外界干扰的影响； 自动驾驶仪此时的作用是消除飞机相对给定基准的偏离。3.2 操纵状态 所谓的操纵状态，是指外加一个控制信号去改变飞机原基准状态的运动； 控制信号相当于在原基准信号的基础上再附加一个给定的增量信号，该信号可以来自驾驶员在控制面板上的控制，也可以来自其它如飞行管理计算机等； 利用自动驾驶仪的操纵状态就可以自动地控制飞机按所期望的姿态或航迹飞行。3. 应用案例俯仰角控制 俯仰角自动控制系统方框图； 垂直陀螺仪 输入信号俯仰角 输出信号与俯仰角对应的电压信号1KU
18、传递函数 ，比例系数 K1，感受到单位姿态角变化对应的输出电压值； 控制电压实现飞机操纵状态的给定电压值。 舵回路 输入信号 ，注意反馈信号极性。 输出信号 传递函数 （忽略舵回路的惯性） 。gU1)s(KGgUueKsG)(学习单元 3 比例式自动驾驶仪控制规律控制规律升降舵舵偏角的增量升降舵舵偏角的增量 是一个对应俯仰角变化量而量化的一个与给定电压值相关是一个对应俯仰角变化量而量化的一个与给定电压值相关的虚拟量；的虚拟量；5.1 为舵回路（前向通道）和垂直陀螺为舵回路（前向通道）和垂直陀螺（反馈通道）增益的积；（反馈通道）增益的积； 升降舵的舵偏角增量与俯仰角偏差升降舵的舵偏角增量与俯仰角
19、偏差 成比例关系，具有这种控制规律的姿态角自动控制器称为成比例关系，具有这种控制规律的姿态角自动控制器称为比例式自动驾驶仪，又因为这种比例关系完全靠舵回路的比例式自动驾驶仪，又因为这种比例关系完全靠舵回路的位置反馈来实现的，而位置反馈又称硬反馈，所以，比例位置反馈来实现的，而位置反馈又称硬反馈，所以，比例式自动驾驶仪也称式自动驾驶仪也称 “硬反馈式自动驾驶仪硬反馈式自动驾驶仪 ”。)(geL，1gKUL ）（ g-5.2 稳定状态下的作用原理 飞机等速水平直线飞行，升力和重力保持平衡，初始迎角和俯仰角相同； 干扰（抬头） ，产生俯仰角偏差； 检测得到俯仰角偏差，并输出与其成比例的电压信号到舵回
20、路； 舵回路输出驱动升降舵偏转（向下，低头） ； 俯仰角偏差减小并趋于零，保持平飞。5.3 操纵状态下的作用原理 通过操纵输入装置，外加控制信号，并经信号处理放大后送到舵回路； 舵回路控制升降舵向上（或向下）偏转，产生抬头（或低头）力矩，俯仰角增大（或减小） ； 垂直陀螺或惯性基准系统检测得到俯仰角，并送出负反馈信号，并逐渐与控制信号平衡； 飞机保持到新的姿态角。5.4 稳态误差 存在常值干扰力矩 Mf （趋向于使飞机抬头或低头）时，飞机在自动驾驶仪控制下进入稳定状态后，必然存在一个升降舵的舵偏角增量以抵消 Mf 的影响，而此时不能为零，以产生升降舵的舵偏角增量，这就是所谓的稳态误差，即有：
21、比例式自动驾驶仪是一种 P 控制器，P 控制器必存在常值干扰下的稳态误差； 减小稳态误差可以通过增大的方法实现；egUu eeLL/e5.4 稳态误差（续）稳态误差（续） 增大，飞机修正增大，飞机修正 时升降舵的偏转量时升降舵的偏转量也会随之增大，因而产生较大的力矩作用到飞也会随之增大，因而产生较大的力矩作用到飞机上使其产生较大的俯仰角速度；机上使其产生较大的俯仰角速度； 飞机惯性作用，当飞机惯性作用，当 修正为零时，修正为零时， 即即舵偏角回到零位，但飞机此时的俯仰角速率并舵偏角回到零位，但飞机此时的俯仰角速率并不为零，以至于修正过度而向相反方向俯仰而不为零，以至于修正过度而向相反方向俯仰而
22、产生振荡；产生振荡； 为减小振荡，引入反馈信号为减小振荡，引入反馈信号 ，即飞机俯仰，即飞机俯仰角变化率，增大阻尼。角变化率，增大阻尼。 Leee6.带有一阶微分环节的比例式自动驾驶仪控制规律6.1 控制规律6.1 控制规律控制规律 自动控制原理中测速反馈的作用自动控制原理中测速反馈的作用 适当地在控制适当地在控制信号中引入系统输出量的变化率信号信号中引入系统输出量的变化率信号 ，可，可以增大系统阻尼，减小响应的超调量（减小振荡）以增大系统阻尼，减小响应的超调量（减小振荡） 。 引入俯仰角速率负反馈信号，构成带有一阶微分引入俯仰角速率负反馈信号，构成带有一阶微分环节的比例式自动驾驶仪，可以产生附加舵偏角，环节的比例式自动驾驶仪，可以产生附加舵偏角，形成与俯仰角速率反向的附加操纵力矩，对飞机形成与俯仰角速率反向的附加操纵力矩，对飞机的姿态运动起阻尼作用，防止（改善）振荡，的姿态运动起阻尼作用，防止（改善）振荡， 控制规律由原来的控制规律由原来的 ，变为：，变为：L)(geL(ge 反馈通道的传递系数
