1、民用飞机自动飞行控制系统民用飞机自动飞行控制系统（飞行学院）（飞行学院）费玉华费玉华 让飞机实现自动飞行让飞机实现自动飞行 自动飞行控制自动飞行控制 1.1 飞机飞行控制系统飞机飞行控制系统 1.1.1 民用飞机现代飞行控制系统的作用民用飞机现代飞行控制系统的作用 1 自动飞行控制就是利用一套专门的系统，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。规定的姿态和航迹飞行。第第1 1章章 绪论绪论 自动飞行的好处自动飞行的好处 长距离飞行解除驾驶员的疲劳，减轻驾驶长距离飞行解除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作负担；
2、员的工作负担； 在坏天气或复杂的环境下，驾驶员难于精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；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，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。完成这些任务。 实现对飞机性能的改善实现对飞机性能的改善 飞机性能和飞行品质由飞机本身气动特性和发动飞机性能和飞行品质由飞机本身气动特性和发动 机特性决定。机特性决定。 随着飞行高度及速度逐渐扩大，飞机自身特性变
3、坏，随着飞行高度及速度逐渐扩大，飞机自身特性变坏，如飞机的阻尼下降。如飞机的阻尼下降。 现代飞机设计时，常将飞机设计成静不稳定的。现代飞机设计时，常将飞机设计成静不稳定的。 静不稳定的飞机，驾驶员难于操纵。静不稳定的飞机，驾驶员难于操纵。 现代飞机上常用增稳系统或阻尼器系统，这些系统现代飞机上常用增稳系统或阻尼器系统，这些系统也是飞行控制系统也是飞行控制系统 ，其作用是改善飞机的性能。，其作用是改善飞机的性能。 飞机现代飞行控制系统的作用飞机现代飞行控制系统的作用 -实现飞机的自动飞行；实现飞机的自动飞行； -改善飞机的特性，实现所要求的飞行品质改善飞机的特性，实现所要求的飞行品质 和飞行性能
4、和飞行性能 。23 飞机人工驾驶的基本过程飞机人工驾驶的基本过程 1.1.2 飞行控制系统的基本工作原理和组成飞行控制系统的基本工作原理和组成 1 飞机：被控的对象飞机：被控的对象 手臂及驾驶杆：执行机构手臂及驾驶杆：执行机构 眼睛：反馈测量部件眼睛：反馈测量部件 大脑：控制器和比较部件，形成误差，产生大脑：控制器和比较部件，形成误差，产生 控制指令。控制指令。各部分的功能各部分的功能 闭环负反馈原理闭环负反馈原理 自动飞行控制系统自动飞行控制系统* *参照人工驾驶的原理构成飞行控制系统。参照人工驾驶的原理构成飞行控制系统。2 飞机：被控对象飞机：被控对象 具体一个系统的被控物理参数可能是飞机
5、某一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。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。被控的参量通常称为被控量。 执行机构执行机构( (又称舵机或舵回路又称舵机或舵回路) ) 接收控制指令，其输出跟踪控制指令的变化，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。并输出一定的能量，拖动舵面偏转。 （反馈）测量部件（反馈）测量部件 它测量和感受飞机被控量的变化，并输出相它测量和感受飞机被控量的变化，并输出相应应 的电信号。的电信号。 不同的被控量需采用不同的测量元件。不同的被控量需采用不同的测量元件。 综合
6、比较部件综合比较部件 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。能组合在一起。 控制器控制器 依误差信号和系统的要求，进行分析、判断，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。计算机来实现。 操纵指令部件操纵指令部件 给定系统的输入指令信号，它通常是被控给定系统的输入指令信号，它通常是被控量的期望值。量的期望值。飞行控制系统的基本构成飞行控制系统的基本构成 基本由三个典
7、型回路组成。基本由三个典型回路组成。舵回路舵回路 -基本回路基本回路 舵机、放大器、反馈元件舵机、放大器、反馈元件稳定回路稳定回路（自动驾驶仪）（自动驾驶仪） 姿态控制姿态控制 控制（制导）回路控制（制导）回路 轨迹控制轨迹控制3飞机飞行控制系统的基本构成飞机飞行控制系统的基本构成飞行控制系统的基本原理飞行控制系统的基本原理 飞行控制系统分为：飞行控制系统分为： 人工控制系统人工控制系统和和自动控制系统自动控制系统。 人工飞行控制系统是由驾驶员手动操人工飞行控制系统是由驾驶员手动操纵的主、辅飞行控制系统组成纵的主、辅飞行控制系统组成，可能是常，可能是常规的机械操纵系统，也可能是现代飞机常规的机
8、械操纵系统，也可能是现代飞机常用的电传操纵系统。用的电传操纵系统。 自动控制系统包括多个子系统。自动控制系统包括多个子系统。 4人工飞行控制系统 主飞行控制系统 辅飞行控制系统 升降舵、平尾（俯仰）副翼、扰流板 （滚转） 方向舵（偏航） 前缘缝翼/后缘襟翼 （高增升）扰流板（减速、减升） 自动驾驶仪 自动着陆 自动油门 飞行指引 包线控制 飞行制导 飞行管理自动飞行控制系统飞行控制系统 除个别的开环操纵系统（如机械操纵系统）外，除个别的开环操纵系统（如机械操纵系统）外， 所有的飞控系统都采用了所有的飞控系统都采用了闭环反馈控制闭环反馈控制的工作原理。的工作原理。 人工操纵人工操纵 驾驶员通过驾
9、驶杆、脚蹬、油门杆的位移（或力） 给出控制信号 经过飞行控制计算机 （FCC） 计算控制律后 给出控制指令。 作动器根据此指令驱动相应的舵面（或油 门、喷口）产生位移 使飞机运动变量转换为 电信号 一路反馈给FCC 另一路输入显示装置，供驾驶 员读取，形成目视信息。 送给FCC的反馈信号与驾驶员给出的控制信号相比较，当飞机的运动变量与驾驶员的控制目标值相等时，两种信号的代数和为零，飞行控制不再输出驱动指令，飞机按照驾驶员要求的状态飞行。 飞行控制系统原理 自动控制自动控制 在自动控制的情况下在自动控制的情况下 驾驶员通过控制面板驾驶员通过控制面板上的模式选择按钮（或开关、旋钮、键盘等）上的模式
10、选择按钮（或开关、旋钮、键盘等） 给出控制模式要求给出控制模式要求 飞控系统自动控飞控系统自动控制飞机按照给定的模式飞行。制飞机按照给定的模式飞行。 自动控制的基本控制原理与人工控制飞行时自动控制的基本控制原理与人工控制飞行时相同。只是驾驶员只需监视显示信息，不需要相同。只是驾驶员只需监视显示信息，不需要对驾驶杆等装置进行操作。对驾驶杆等装置进行操作。 飞行控制系统的发展飞行控制系统的发展u 19121912年诞生简单姿态稳定系统；年诞生简单姿态稳定系统；u 2 2次世界大战期间发展为典型自动驾驶仪系统；次世界大战期间发展为典型自动驾驶仪系统； 2 2次世界大战后发展为航迹导航自动控制系统；次
11、世界大战后发展为航迹导航自动控制系统；u 5050年代开始发展阻尼器、增稳系统；年代开始发展阻尼器、增稳系统；u 7070年代进一步发展控制增稳及电传操纵系统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；及主动控制技术； 进行验证及开发飞机：进行验证及开发飞机：F-16A/BF-16A/B；8686年年A320A320u 70 80 70 80年代发展飞行管理系统。年代发展飞行管理系统。5地地面面坐坐标标系系gggggzyxoS go：原点，地面上某一点：原点，地面上某一点轴：地平面内并指轴：地平面内并指 向某一方向；向某一方向；轴：在地平面内，垂轴：在地平面内，垂 直于直于 轴指向右
12、方轴指向右方轴：垂直于地面并指向轴：垂直于地面并指向 地心。地心。 ggyoggzoggxogx1.41.4飞控课程的相关基础知识飞控课程的相关基础知识坐标系 原点原点: :飞机质心处飞机质心处 纵轴纵轴( ):( ):在飞机对称平面内并平行于飞在飞机对称平面内并平行于飞 机的设计轴线指向机头；机的设计轴线指向机头； 横轴横轴( ):( ):垂直于飞机对称平面指向机身垂直于飞机对称平面指向机身 右方；右方； 竖轴（竖轴（ ）: :在飞机对称平面内，与纵轴在飞机对称平面内，与纵轴 垂直并指向机身下方。垂直并指向机身下方。bbbzyoxboxboyboz机体坐标系机体坐标系 bbbbzyoxS 原
13、点原点: :飞机质心处飞机质心处 轴轴: :与飞行速度与飞行速度 重合一致；重合一致； 轴轴: :在飞机对称平面内与在飞机对称平面内与 轴垂直并指向轴垂直并指向 机腹；机腹； 轴轴: :垂直于垂直于 平面并指向机身右方。平面并指向机身右方。Vbbbzyoxaoxaoyaoz速度坐标系速度坐标系 aaaaSox y zaoxaax oz 俯仰角俯仰角 ：机体：机体纵轴纵轴 与地平面间夹角。与地平面间夹角。 抬头为正。抬头为正。 偏航角偏航角 ：机体：机体纵轴纵轴 在地平面上的投影与给在地平面上的投影与给 定航向间定航向间夹角。夹角。 机头机头右偏航右偏航为正。为正。 滚转角滚转角 ：机体：机体竖
14、轴竖轴 与与通过机体纵轴通过机体纵轴 的的 铅垂面间铅垂面间的夹角。的夹角。 飞机飞机向右滚转向右滚转时为正。时为正。boxboz1.1.飞机的姿态角飞机的姿态角 boxbox飞机的运动参数飞机的运动参数 飞行速度向量飞行速度向量 机体坐标系机体坐标系 迎角迎角 ：速度向量：速度向量 在飞机对称平面上的投影在飞机对称平面上的投影 与机体轴与机体轴 间夹角。间夹角。 的投影在机体轴下面为正。的投影在机体轴下面为正。 侧滑角侧滑角 ：速度向量：速度向量 飞机对称平面间夹角。飞机对称平面间夹角。 的投影在飞机对称面右侧为正。的投影在飞机对称面右侧为正。2. 2. 气流角气流角 VVVVbox 速度坐
15、标系速度坐标系 地面坐标系地面坐标系航迹倾斜角航迹倾斜角 ：速度向量与地平面间夹角。飞机向：速度向量与地平面间夹角。飞机向 上飞时为正。上飞时为正。航迹方位角航迹方位角 : :速度向量在地平面上的投影与地轴速度向量在地平面上的投影与地轴 间夹角间夹角, ,投影在轴右侧为正。投影在轴右侧为正。航迹滚转角航迹滚转角 ：速度轴：速度轴 与通过速度轴与通过速度轴 的铅的铅 垂面间的夹角。飞机右滚转时为正。垂面间的夹角。飞机右滚转时为正。aoz3.3.飞机的航迹角飞机的航迹角 g goxaox 升降舵偏转角升降舵偏转角 向下偏转为正，产生的俯仰力矩为负，即向下偏转为正，产生的俯仰力矩为负，即产产 生低头
16、力矩；生低头力矩； 方向舵偏转角方向舵偏转角 向左偏转为正，产生的偏航力矩为负；向左偏转为正，产生的偏航力矩为负； 副翼偏转角副翼偏转角 副翼差动偏转，副翼差动偏转，“左上右下左上右下”偏转为正，偏转为正，产产 生的滚转力矩为负。生的滚转力矩为负。era飞机的操纵机构飞机的操纵机构（1 1）驾驶杆（）驾驶杆（ 和和 ） eWaW推杆为正（推杆为正（ ）升降舵正向偏转，升降舵正向偏转， 产生低头力矩产生低头力矩 ；左压杆为正（左压杆为正（ ）副翼）副翼“左上右下左上右下”正正向偏转，产生负滚转力矩，飞机向左滚转；向偏转，产生负滚转力矩，飞机向左滚转；0eW0aW（2 2）脚蹬（）脚蹬（ ） rW
17、左脚蹬前移为正（左脚蹬前移为正（ ），方向舵正向），方向舵正向偏转，产生负的偏航力矩偏转，产生负的偏航力矩,飞机向左偏航。飞机向左偏航。 0rW飞机杆和脚蹬的定义飞机杆和脚蹬的定义T前推加油门为正（前推加油门为正（ ）, ,发动机加大发动机加大推力，后拉收油门（推力，后拉收油门（ ）, 减小发动减小发动机推力。机推力。 油门杆油门杆 （ ）0T0T油门杆的定义油门杆的定义自动控制理论简介（附录）自动控制理论简介（附录） 1 . 1 . 按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制 闭环负反馈控制的基本原理是闭环负反馈控制的基本原理是: : “ “检测偏差，纠正偏差检测偏差，纠正偏差” 2.2. 自
18、动控制系统的分类（多种分类方法）自动控制系统的分类（多种分类方法） 连续模拟式系统：系统中控制器由模拟式部件连续模拟式系统：系统中控制器由模拟式部件构成；构成； 计算机控制系统：计算机参与控制，系统中的计算机控制系统：计算机参与控制，系统中的控制器由数字计算机来完成。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。现代飞行控制系统均为计算机控制系统。 (1) 放大环节放大环节：该环节的输入输出关系是：该环节的输入输出关系是 y(t)=kx(t)(2) 积分环节积分环节：该环节的输入输出关系是：该环节的输入输出关系是(3) 微分环节微分环节，该环节的输入与输出的关系为，该环节的输
19、入与输出的关系为其他其他 : 一阶惯性环节和二阶振荡环节。一阶惯性环节和二阶振荡环节。dttdxty/ )()(3. 典型环节的函数关系典型环节的函数关系tattxty0)()(4 4 . .控制系统的性能指标控制系统的性能指标 稳定性：稳定性：若一个系统处于平衡状态，受到外界干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，否则动恢复原平衡状态，则称该系统是稳定的，否则是不稳定。是不稳定。 动态特性动态特性 ： -峰值时间峰值时间t tp p: :输出输出y(t)y(t)达到最大值的时
20、间；达到最大值的时间； -调节时间调节时间t ts s: :输出输出 y(t)y(t)达到稳态输出达到稳态输出 y(y( ) )的的 5%5%差带，但又不重新退出该误差带的时间。差带，但又不重新退出该误差带的时间。 -超调量超调量 % %：超调量定义为：超调量定义为：%pyyy 说明：说明： -峰值时间峰值时间t tp p和调节时间和调节时间t ts s反映了过程的快反映了过程的快 速性；速性； % %反映了运动的平稳性。反映了运动的平稳性。 -通过改变控制器形式和参数达到设计者要通过改变控制器形式和参数达到设计者要 求。求。 静态特性要求（静差要求）静态特性要求（静差要求） -稳态误差稳态误
21、差= =（期望的稳态值（期望的稳态值 实际的稳态值）实际的稳态值） -静态误差与系统结构和开环放大系数有关，静态误差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。也与输入信号的大小和形式有关。 抗干扰能力抗干扰能力 -要求系统抑制干扰的能力强要求系统抑制干扰的能力强 -决定于系统的结构、参数和干扰的特性决定于系统的结构、参数和干扰的特性 5. 5. 改善系统性能的方法改善系统性能的方法 （1 1）串联校正：）串联校正：在控制器信号传输通道中串接一在控制器信号传输通道中串接一 定特性的校正环节定特性的校正环节 . -改变控制器信号传输的放大倍数改变控制器信号传输的放大倍数 增加系
22、统响应的快速性；增加系统响应的快速性； 可以减少稳态误差。可以减少稳态误差。 -在控制器中接入一个微分环节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。减少阶跃响应的超调量，降低调节时间。 -在控制器中串接积分环节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。优点是可以提高系统的稳态精度。 （2 2）反馈校正）反馈校正 最常用方法是在与被控量的负反馈部件平行地引最常用方法是在与被控量的负反馈部件平行地引入被控量的微分信号的负反馈，如图所示。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。减少系统输出的超调量，减小调节时间。课程内容及安排课程内容及安排 内容内容 1.1.飞行控制的基础知识飞行控制的基础知识 2.2.飞机自动驾驶仪和飞行指引仪飞机自动驾驶仪和飞行指引仪 3.3.先进飞行控制系统先进飞行控制系统 4.4.飞行管理系统飞行管理系统 5.5.民机现代飞行控制系统（实例）民机现代飞行控制系统（实例） 课时安排课时安排： 2626学时学时 教学要求教学要求 参考讲义参考讲义： 民用飞机飞行控制系统民用飞机飞行控制系统
