1、第四章第四章 飞机姿态控制系统飞机姿态控制系统 自动驾驶仪自动驾驶仪 飞行指引仪飞行指引仪 自动飞行指引系统自动飞行指引系统 飞行器运动的自由度飞行器运动的自由度 刚体空间运动：六个自由度刚体空间运动：六个自由度 质心的位移：飞行器的质心沿着地面坐标系的三质心的位移：飞行器的质心沿着地面坐标系的三 个轴向的位移；个轴向的位移； 绕质心的转动：飞行器绕机体坐标系的三个轴的绕质心的转动：飞行器绕机体坐标系的三个轴的 转动。转动。 飞机：空间运动六个自由度：飞机：空间运动六个自由度：质心的位移（线运动）：质心的位移（线运动）： 飞行速度增减运动、升降运动和侧移运动飞行速度增减运动、升降运动和侧移运动
2、 绕质心的转动（角运动）：绕质心的转动（角运动）： 俯仰角运动、偏航角运动和滚转角运动。俯仰角运动、偏航角运动和滚转角运动。补充：飞行器运动介绍补充：飞行器运动介绍 飞机运动的划分飞机运动的划分 （对称平面内运动、非对称平面内的运动）（对称平面内运动、非对称平面内的运动） 1 1纵向运动纵向运动（对称平面内运动）：（对称平面内运动）： 速度增减、质心升降、绕横轴的俯仰角运动。速度增减、质心升降、绕横轴的俯仰角运动。 2 2横侧向运动横侧向运动（非对称平面内运动）：（非对称平面内运动）： 质心侧向移动、绕立轴偏航角运动、绕纵轴质心侧向移动、绕立轴偏航角运动、绕纵轴滚滚 转角运动。转角运动。飞机运
3、动的特点飞机运动的特点特征方程描述了飞机本身的固有稳定性；特征方程描述了飞机本身的固有稳定性；特征方程完全取决于飞机本身构造参数、气动特征方程完全取决于飞机本身构造参数、气动参数和飞行状态参数和飞行状态描述了飞行器的固有特征。描述了飞行器的固有特征。飞机纵向运动的重要特征飞机纵向运动的重要特征 特征方程的根及其特点特征方程的根及其特点 一般飞机特征方程可表示成两个因式之积的形式：一般飞机特征方程可表示成两个因式之积的形式： 特点：两对共轭复根特点：两对共轭复根 一对大的共轭复根一对大的共轭复根 一对小的共轭复根一对小的共轭复根 两对共轭复根分别代表两种差别很大的周期模态。两对共轭复根分别代表两
4、种差别很大的周期模态。 第一种模态：第一种模态：短周期模态短周期模态 一对大的共轭复根一对大的共轭复根振荡周期短而衰减快振荡周期短而衰减快 第二种模态：第二种模态：长周期模态长周期模态 一对小的共轭复根一对小的共轭复根振荡周期长和衰减慢振荡周期长和衰减慢 结论：结论： 当存在扰动（或输入）时，飞机纵向运动分为两当存在扰动（或输入）时，飞机纵向运动分为两种运动模态。种运动模态。短周期模态短周期模态运动的初始阶段运动的初始阶段 是以迎角是以迎角 和俯仰角和俯仰角 为主要为主要 变量的运动。变量的运动。长周期模态长周期模态主要是飞机质心的轨迹运动主要是飞机质心的轨迹运动 是以速度是以速度 和俯仰角和
5、俯仰角 为主要为主要 变量的运动。变量的运动。)(t)(t)(t)(tV横侧向运动：滚转、偏航、侧移三个自由度横侧向运动：滚转、偏航、侧移三个自由度 的运动的运动特点：（特点：（1 1）横侧向有交联关系；）横侧向有交联关系； （2 2）整个侧向运动对于飞机整体来）整个侧向运动对于飞机整体来 讲是一个不独立的运动；讲是一个不独立的运动； （3 3）交联中有侧滑的存在。）交联中有侧滑的存在。飞机横侧向运动的重要特征飞机横侧向运动的重要特征横侧向运动扰动运动的三种模态横侧向运动扰动运动的三种模态 滚转收敛模态、螺旋模态和荷兰滚模态。滚转收敛模态、螺旋模态和荷兰滚模态。 滚转收敛模态滚转收敛模态 意义
6、：代表了受干扰后，飞机绕意义：代表了受干扰后，飞机绕OXOX轴滚转轴滚转 自由度中变量自由度中变量 （滚转角速度）、（滚转角速度）、 （滚转角）的快速收敛运动。（滚转角）的快速收敛运动。 p、 成因：成因：（1）飞行器结构布局决定绕）飞行器结构布局决定绕OX轴的转动惯轴的转动惯 量是三个转动惯量中最小的；量是三个转动惯量中最小的；（2）各气动面的配置（机翼、平尾、垂尾）各气动面的配置（机翼、平尾、垂尾） 决定在正常迎角下往往具有较大的阻尼决定在正常迎角下往往具有较大的阻尼 外干扰时，引起的会在气动阻尼力矩作外干扰时，引起的会在气动阻尼力矩作 用下消失。用下消失。 螺旋模态螺旋模态 意义：横侧扰
7、动运动小实根代表的模态。意义：横侧扰动运动小实根代表的模态。 当小时根为负时，这一模态是稳定的；当小时根为负时，这一模态是稳定的； 当小时根为正时，这一模态是不稳定的；当小时根为正时，这一模态是不稳定的； 飞机将作半径愈来愈小的螺旋运动，飞机将作半径愈来愈小的螺旋运动， 角也会不断加大。角也会不断加大。 特点：收敛（发散）很慢。特点：收敛（发散）很慢。 飞行轨迹：飞行轨迹：盘旋半径愈来愈小、且高度不断下降盘旋半径愈来愈小、且高度不断下降 的螺旋线。的螺旋线。荷兰滚模态荷兰滚模态 意义：横侧扰动运动中一对共轭复根对应意义：横侧扰动运动中一对共轭复根对应 的模态。的模态。 荷兰滚运动荷兰滚运动飞机
8、进行侧滑角正负振飞机进行侧滑角正负振 荡运动的同时又产生左右滚转运动。荡运动的同时又产生左右滚转运动。 的正负振荡的正负振荡 即摆振、又滚转即摆振、又滚转 的左右滚转的左右滚转 （以滑冰姿态得称）（以滑冰姿态得称） 特点：特点： 频率较快，周期性运动。频率较快，周期性运动。 成因：横滚静稳定力矩和航向静稳定力矩作用的成因：横滚静稳定力矩和航向静稳定力矩作用的 结果。结果。 (横滚静稳定性太大会引起荷兰滚模态不稳定横滚静稳定性太大会引起荷兰滚模态不稳定) 4.14.1 自动驾驶仪自动驾驶仪 4.1.1自动飞行系统综述在现代运输飞机上，为减轻驾驶员的体力和精力，在现代运输飞机上，为减轻驾驶员的体力
9、和精力，提高飞机飞行精度、保证飞行安全，高质量地完成提高飞机飞行精度、保证飞行安全，高质量地完成任务，一般都装有自动飞行系统任务，一般都装有自动飞行系统AFSAFS（Automatic Automatic Flight SystemFlight System）。该系统能自动完成驾驶、导航、）。该系统能自动完成驾驶、导航、性能和动力管理，性能和动力管理，可在飞机起飞、离场、爬升、巡可在飞机起飞、离场、爬升、巡航、下降和进场着陆的整个飞行阶段中使用。航、下降和进场着陆的整个飞行阶段中使用。 功功能能 控制飞机的姿态与航向。控制飞机的姿态与航向。 控制飞机的轨迹。控制飞机的轨迹。 控制飞机的飞行速度
10、。控制飞机的飞行速度。 改善飞机的操纵性和稳定性。改善飞机的操纵性和稳定性。 自动驾驶仪自动驾驶仪AP(Auto Pilot)飞行指引仪飞行指引仪FD(Flight Director)自动油门系统自动油门系统AT(Auto Throttle)偏航阻尼系统偏航阻尼系统YD(Yaw Damper)自动俯仰配平系统自动俯仰配平系统APT(Auto Pitch Trim)APT(Auto Pitch Trim)飞行管理计算机系统飞行管理计算机系统FMCS(Flight Management Computer System)等等自自动动飞飞行行系系统统 自动飞行系统方块图自动飞行系统方块图 偏航偏航阻尼
11、阻尼系统系统自动驾驶自动驾驶/飞飞行指引系统行指引系统自 动 安自 动 安定 面 配定 面 配平平 / 马 赫马 赫配 平配 平 / 速速度 稳 定度 稳 定系统系统维护控维护控制系统制系统(MCDP(MCDP)偏航控偏航控制系统制系统( (方向舵方向舵) ) 横滚控制系横滚控制系 统统(副翼、副翼、 扰流板扰流板)显显 示示AFDSAFDS告示告示和警告和警告俯仰控制系俯仰控制系统统( (安定面、安定面、升降舵）升降舵） 自动飞行系统自动飞行系统推力管推力管理系统理系统推力控制推力控制（油门）（油门） 按给定的平飞姿态和航向保持飞机平直飞行。按给定的平飞姿态和航向保持飞机平直飞行。 按给定的
12、倾斜角或预选航向实现操纵飞机转弯。按给定的倾斜角或预选航向实现操纵飞机转弯。 按给定的俯仰角或升降舵实现飞机上升或下降。按给定的俯仰角或升降舵实现飞机上升或下降。 完成飞机着陆前的进近。完成飞机着陆前的进近。 按飞行管理计算机系统或其他导航系统要求，实按飞行管理计算机系统或其他导航系统要求，实行按预定的航路飞行，保持航迹。行按预定的航路飞行，保持航迹。 4.1.2自动驾驶仪（AP) 飞行中代替飞行员控制飞机舵面，以使飞机稳定在飞行中代替飞行员控制飞机舵面，以使飞机稳定在 某一状态或操纵飞机从一种状态进入另一种状态。某一状态或操纵飞机从一种状态进入另一种状态。 -飞机姿态的稳定与控制飞机姿态的稳
13、定与控制1.1.自动驾驶仪的基本功用自动驾驶仪的基本功用 姿态控制姿态控制-构成了自动飞行控制的基本功能。构成了自动飞行控制的基本功能。分为纵向平面的俯仰角运动和横侧平面的滚转分为纵向平面的俯仰角运动和横侧平面的滚转角与偏航角运动。角与偏航角运动。姿态控制有两种工作状态：姿态控制有两种工作状态：控制与稳定控制与稳定。 -控制是指飞机原处于某种平衡状态，在外加指控制是指飞机原处于某种平衡状态，在外加指令作用下，建立新的平衡状态的过程令作用下，建立新的平衡状态的过程 ； -稳定是指原飞机处于某种平衡状态稳定是指原飞机处于某种平衡状态，由于某种由于某种原因，偏离了该平衡状态，系统使飞机能恢复原因，偏
14、离了该平衡状态，系统使飞机能恢复到原平衡状态的过程。到原平衡状态的过程。 自动驾驶仪操纵飞机的过程与驾驶员操纵飞机自动驾驶仪操纵飞机的过程与驾驶员操纵飞机的过程一样。它通过三套控制回路分别去控制飞的过程一样。它通过三套控制回路分别去控制飞机的副翼、升降舵和方向舵来实现对飞机的控制。机的副翼、升降舵和方向舵来实现对飞机的控制。每套自动控制回路又称为通道每套自动控制回路又称为通道(Channel)(Channel)。控制飞。控制飞机机升降舵的回路，称为俯仰通道；控制飞机副翼升降舵的回路，称为俯仰通道；控制飞机副翼的回路，称为横滚通道；控制飞机方向舵的回路，的回路，称为横滚通道；控制飞机方向舵的回路
15、，称为航向通道。称为航向通道。 有的飞机上，自动驾驶仪只控制副翼和升降舵，有的飞机上，自动驾驶仪只控制副翼和升降舵，而方向舵由偏航阻尼器控制。因此，而方向舵由偏航阻尼器控制。因此，自动驾驶仪自动驾驶仪接通时，偏航阻尼器也自动接通。接通时，偏航阻尼器也自动接通。 2.2.自动驾驶仪基本组成自动驾驶仪基本组成 单通道单通道自动驾驶仪自动驾驶仪 组成：组成：测量装置、计算装置、放大装置、舵测量装置、计算装置、放大装置、舵 机、回输装置机、回输装置和和控制显示装置控制显示装置等。等。 测量装置测量装置测量装置测量装置控制显示控制显示 装置装置 自动驾驶自动驾驶 计算机计算机放大器放大器 舵机舵机回输装
16、置回输装置飞飞 机机自动驾驶仪单通道组成方块图自动驾驶仪单通道组成方块图 1 各组成部分的功能各组成部分的功能 有的飞机上，自动驾驶仪有专门的测量装置；有的飞机上，自动驾驶仪有专门的测量装置； 有的飞机上，无专门的测量装置，而由飞机上有的飞机上，无专门的测量装置，而由飞机上 的其他系统向自动驾驶仪输送信号。的其他系统向自动驾驶仪输送信号。2（1）测量装置）测量装置 用来感受飞机的用来感受飞机的角速度和角加速角速度和角加速度度信号。信号。用来感受偏离用来感受偏离初始位置的初始位置的角角位移位移信号信号主测量装置主测量装置 辅助测量装置辅助测量装置说明在在不同不同的飞机上测量装置可能不一样。如输出
17、飞的飞机上测量装置可能不一样。如输出飞机俯仰角和倾斜角信号的测量装置，在有的飞机机俯仰角和倾斜角信号的测量装置，在有的飞机上使用陀螺平台，有的飞机上是用惯性基准系统，上使用陀螺平台，有的飞机上是用惯性基准系统，有的飞机上是用垂直陀螺等。输出飞机航向信号有的飞机上是用垂直陀螺等。输出飞机航向信号的测量装置，在有的飞机上是用罗盘系统，有的的测量装置，在有的飞机上是用罗盘系统，有的飞机上是用陀螺半罗盘，有的飞机上是用惯性基飞机上是用陀螺半罗盘，有的飞机上是用惯性基准系统的等。准系统的等。 接收自动驾驶仪操纵飞机的各种信号，经过计接收自动驾驶仪操纵飞机的各种信号，经过计 算机处理后，将信号送给放大器。
18、算机处理后，将信号送给放大器。现在为数字式飞行控制计算机。现在为数字式飞行控制计算机。（2）自动驾驶计算机 放大器接收自动驾驶计算机送来的微小信号，放大器接收自动驾驶计算机送来的微小信号， 经放大后，将信号送至舵机。经放大后，将信号送至舵机。 舵机是自动驾驶仪操纵飞机舵面的执行机构舵机是自动驾驶仪操纵飞机舵面的执行机构 自动驾驶仪的舵机有自动驾驶仪的舵机有电动舵机电动舵机和和液压式舵机液压式舵机两两 种。种。（4）舵机（3）放大器 回输装置反映舵面的偏转角和偏转角速度，并控回输装置反映舵面的偏转角和偏转角速度，并控制舵面的回收。制舵面的回收。（5）回输装置（6）控制显示装置控制显示装置 控制显
19、示装置用于接通控制显示装置用于接通/ /断开自动驾驶仪、选取断开自动驾驶仪、选取 自动驾驶仪的工作方式以及方式通告显示。自动驾驶仪的工作方式以及方式通告显示。 不同型号的自动驾驶仪，其控制显示装置的式不同型号的自动驾驶仪，其控制显示装置的式 样有所不同。从控制板上的开关、旋钮和按钮样有所不同。从控制板上的开关、旋钮和按钮 可了解此型自动驾驶仪的功能。可了解此型自动驾驶仪的功能。 B757飞机方式选择板飞机方式选择板俯仰配平控制开关俯仰配平控制开关 方式通告牌方式通告牌 方式选择板方式选择板 飞行前测试钮飞行前测试钮 AP接通钮接通钮KAP150自动驾驶仪的控制显示装置面板自动驾驶仪的控制显示装
20、置面板 按下某一按钮，按下某一按钮，AP即工作在相应的工作方式。即工作在相应的工作方式。AP接通钮。按下，接通接通钮。按下，接通AP；再按，断开；再按，断开AP。 通告自动驾驶仪正在以什么方式控制飞机。飞通告自动驾驶仪正在以什么方式控制飞机。飞行中，驾驶员应以飞行方式通告牌的显示，而行中，驾驶员应以飞行方式通告牌的显示，而不是以方式控制板上按下的电门来判断自动驾不是以方式控制板上按下的电门来判断自动驾驶仪的工作方式。驶仪的工作方式。 用于用于AP的飞行前测试。的飞行前测试。 拨动此开关可操纵拨动此开关可操纵 飞机俯仰飞机俯仰 方式选择钮方式通告牌方式通告牌测试钮测试钮 俯仰配平控制开关俯仰配平
21、控制开关 自动驾驶仪除了用控制板上的接通自动驾驶仪除了用控制板上的接通/断开电门脱开断开电门脱开外，飞机上还专门设置有便于驾驶员脱开自动驾外，飞机上还专门设置有便于驾驶员脱开自动驾驶仪的脱开电门。此电门一般安装在驾驶盘上。驶仪的脱开电门。此电门一般安装在驾驶盘上。为了提醒驾驶员注意，在自动驾驶仪脱开时，设为了提醒驾驶员注意，在自动驾驶仪脱开时，设置有专门的自动驾驶仪脱开警告红灯，有的飞机置有专门的自动驾驶仪脱开警告红灯，有的飞机上还设置有自动驾驶仪脱开时的音响装置。警告上还设置有自动驾驶仪脱开时的音响装置。警告红灯和音响可以人工切断。红灯和音响可以人工切断。 （7）自动驾驶仪脱开电门和脱开警告
22、灯 自动驾驶仪的工作方式由方式选择板（自动驾驶仪的工作方式由方式选择板（MCP MCP ）控制。在现代飞机上，自动驾驶仪的控制板一般位控制。在现代飞机上，自动驾驶仪的控制板一般位于驾驶舱的遮光板上。方式选择板上的按钮和旋钮于驾驶舱的遮光板上。方式选择板上的按钮和旋钮用于不同的工作模式和接通与断开自动驾驶仪用于不同的工作模式和接通与断开自动驾驶仪。 飞机的自动驾驶仪有飞机的自动驾驶仪有俯仰、航向俯仰、航向和和横滚横滚三个通三个通道，每个通道由相应的控制面板控制道，每个通道由相应的控制面板控制。 3. 3.自动驾驶仪的常见工作方式自动驾驶仪的常见工作方式 横向和航向之间常常有交联信号，所以横向和航
23、向之间常常有交联信号，所以通常将自动驾驶仪分为通常将自动驾驶仪分为纵向通道纵向通道和和横侧向通道横侧向通道，而各通道的控制面板也集成在一起，构成方式控而各通道的控制面板也集成在一起，构成方式控制面板。制面板。 稳定和控制飞机的俯仰角、高稳定和控制飞机的俯仰角、高 度、速度、升降速度等；度、速度、升降速度等； 稳定和控制飞机的航向角、倾稳定和控制飞机的航向角、倾 斜角、偏航距离等。斜角、偏航距离等。 说明说明 纵向通道纵向通道 纵向通道纵向通道 控制飞机的这些不同变量，就对应了自动驾控制飞机的这些不同变量，就对应了自动驾驶仪不同的工作方式。根据控制的状态量，驶仪不同的工作方式。根据控制的状态量，
24、可以完成姿态（俯仰角和滚转角）保持、高可以完成姿态（俯仰角和滚转角）保持、高度保持、航向保持、自动改平以及复飞等功度保持、航向保持、自动改平以及复飞等功能。通过操纵方式控制面板上相应的控制旋能。通过操纵方式控制面板上相应的控制旋钮或开关，可以实行自动驾驶仪的衔接、脱钮或开关，可以实行自动驾驶仪的衔接、脱开和工作方式之间的转换。开和工作方式之间的转换。自动驾驶仪常见的衔接形式 驾驶盘操作驾驶盘操作 （ CWS：control wheel steer-ing 驾驶盘将驾驶员的操作量作为驾驶盘将驾驶员的操作量作为输入指令，被转换为电信号后，送到自动驾驶仪输入指令，被转换为电信号后，送到自动驾驶仪的核
25、心计算机的核心计算机-FCC-FCC，FCCFCC再输出信号给液压作再输出信号给液压作动器，带动舵面运动动器，带动舵面运动。 自动驾驶仪仅起到助力器的作用，相当于电自动驾驶仪仅起到助力器的作用，相当于电传操纵飞机上的人工操作。传操纵飞机上的人工操作。1 作用原理作用原理 指令指令( command, CMD)方式方式 当自动驾驶仪以当自动驾驶仪以CMD方式衔接方式衔接 时，其纵向通道和横侧向通道分别以不同的方时，其纵向通道和横侧向通道分别以不同的方式来工作。式来工作。FCCFCC会根据其纵向方式和横侧向方会根据其纵向方式和横侧向方式来自动计算输出指令，然后通过液压作动器式来自动计算输出指令，然
26、后通过液压作动器控制飞机的相应操纵舵面，实现飞机的自动控控制飞机的相应操纵舵面，实现飞机的自动控制。制。2 作用原理作用原理自动驾驶仪常见的工作方式 常见常见的工作方式有：的工作方式有： 高度保持方式高度保持方式（ALTITU HOLDALTITU HOLD）、）、升降速度方式升降速度方式（或称垂直速度，（或称垂直速度，V/SV/S）、高度层改变方式、高度层改变方式（LEVEL CHANGELEVEL CHANGE）、高度截获或高度获得方式、高度截获或高度获得方式（ALTITU ACQUIREALTITU ACQUIRE）、）、垂直导航方式垂直导航方式（VNAVVNAV）、下）、下滑道方式滑道
27、方式（G/SG/S）、）、复飞方式复飞方式（GO AROUNDGO AROUND）等。）等。纵向通道纵向通道 工作方式有：工作方式有： 航向保持方式航向保持方式（HEADING HOLD）、）、航迹方式航迹方式（TRACK）、）、水平导航方式水平导航方式（LNAV）、）、VOR方式方式、航向道方式航向道方式( (LOC) )、复飞方式复飞方式( ( RWY TRACK) )等。等。 * * 在一般情况下，自动驾驶仪横向和纵向的在一般情况下，自动驾驶仪横向和纵向的不同工作方式，就对应了不同的控制规律。当进不同工作方式，就对应了不同的控制规律。当进行切换时，就伴随着控制规律的改变。行切换时，就伴随
28、着控制规律的改变。 横侧向通道横侧向通道一、飞机俯仰角的稳定与控制 1.比例式自动驾驶仪 （硬反馈式自动驾驶仪）（硬反馈式自动驾驶仪） 纵向自动驾驶仪纵向自动驾驶仪: :垂直陀螺和舵回路构成垂直陀螺和舵回路构成 （1）控制律）控制律 其中：其中：()egK 00g初始值；指令俯仰角增量；，俯仰角增量。 4.1.2 飞机俯仰角的稳定与控制飞机俯仰角的稳定与控制（2 2）俯仰角控制系统的基本结构）俯仰角控制系统的基本结构 当飞机在进行等速水平直线飞行状态时，受到当飞机在进行等速水平直线飞行状态时，受到紊流干扰后，出现俯仰角偏差，紊流干扰后，出现俯仰角偏差， ，垂，垂直陀螺仪测出俯仰角偏差直陀螺仪测
29、出俯仰角偏差 后，输出电压信后，输出电压信号号 。如果外加的控制信号。如果外加的控制信号 为零，为零，通过信号综合于舵回路后，按照控制规律，通过信号综合于舵回路后，按照控制规律， , 驱动升降舵向下偏转驱动升降舵向下偏转,即使飞即使飞机产生低头力矩，减小俯仰角偏差机产生低头力矩，减小俯仰角偏差 ，实现姿，实现姿态保持的功能。态保持的功能。 0KgK 0Ke（3）飞机俯仰角稳定与控制的原理）飞机俯仰角稳定与控制的原理 俯仰角的稳定过程俯仰角的稳定过程外加控制信号外加控制信号 ，则，则 。如。如果飞机原来处于直线平飞状态，即果飞机原来处于直线平飞状态，即 输入信号为输入信号为 ，其结果，其结果,
30、,舵面偏转舵面偏转为为 , ,升降舵上升降舵上偏，产生抬头力矩，飞机绕横轴向上转动，偏，产生抬头力矩，飞机绕横轴向上转动，增加，最终增加，最终 趋近于指令信号趋近于指令信号 。g0000)(geKKg g俯仰角的控制过程俯仰角的控制过程gKUggKUg（1 1）控制律：控制律：（2 2）引入俯仰角速率的作用引入俯仰角速率的作用-改善系统性能改善系统性能 引入俯仰角速率引入俯仰角速率 ，对飞机振荡运动增加阻尼对飞机振荡运动增加阻尼 的作用的作用。当升降舵偏角由正值逐渐减小时，使飞。当升降舵偏角由正值逐渐减小时，使飞 机低头的力矩值也逐渐减小，俯仰角也随之逐渐机低头的力矩值也逐渐减小，俯仰角也随之
31、逐渐 减小。由于减小。由于 的引入，使得的引入，使得 的相位超前于的相位超前于 角位移信号角位移信号 ，舵面的极性提前变号为负值，舵面的极性提前变号为负值， 产生抬头力矩，阻止飞机继续俯冲，所产生提前产生抬头力矩，阻止飞机继续俯冲，所产生提前 相位的作用，称为提前反舵。相位的作用，称为提前反舵。e2.引入俯仰角速率的比例式自动驾驶仪引入俯仰角速率的比例式自动驾驶仪KKg)(e1-1飞机飞机角速度陀螺角速度陀螺垂直陀螺垂直陀螺egKKqe0K带角速度反馈的俯仰角控制系统（图带角速度反馈的俯仰角控制系统（图4.7 ） 引入飞机俯仰角速率反馈信号可以使飞机舵面提引入飞机俯仰角速率反馈信号可以使飞机舵
32、面提前反舵，以减少飞机接近平衡时的速度，使得过前反舵，以减少飞机接近平衡时的速度，使得过程变得比较平稳。这种作用就是一种运动的阻尼。程变得比较平稳。这种作用就是一种运动的阻尼。可以说，系统中引入角速度反馈的目的是增大系可以说，系统中引入角速度反馈的目的是增大系统的阻尼，减少运动的超调量，使稳定控制过程统的阻尼，减少运动的超调量，使稳定控制过程比较平稳。比较平稳。结论结论 控制律控制律 采用比例式舵回路时，常致干扰力矩作用下会出采用比例式舵回路时，常致干扰力矩作用下会出现静差，这时必须有一恒定的舵偏角现静差，这时必须有一恒定的舵偏角 才能平才能平衡。积分式自动驾驶仪，进入稳态后，靠衡。积分式自动
33、驾驶仪，进入稳态后，靠 的积分信号产生舵偏角，可使的积分信号产生舵偏角，可使 的静差为零。的静差为零。 即舵偏角与俯仰角的偏离值成比例。即舵偏角与俯仰角的偏离值成比例。 3.积分式自动驾驶仪积分式自动驾驶仪eKdtKe二二.飞机航向角运动的稳定与控制飞机航向角运动的稳定与控制 1. 飞机航向角运动稳定与控制的基本方式飞机航向角运动稳定与控制的基本方式 航向角运动稳定与控制三种方式：航向角运动稳定与控制三种方式： （1）方向舵控制方向舵控制-实现水平转弯实现水平转弯 偏转方向舵，产生偏航力矩，副翼保持水平，实偏转方向舵，产生偏航力矩，副翼保持水平，实现水平转弯；现水平转弯；侧滑较大；与速度协调差
34、，少用。侧滑较大；与速度协调差，少用。 （2）利用副翼利用副翼-倾斜转弯倾斜转弯 副翼控制飞机倾斜；升力倾斜产生水平分力，速副翼控制飞机倾斜；升力倾斜产生水平分力，速度向量偏转，产生侧滑角，利用航向稳定性，机度向量偏转，产生侧滑角，利用航向稳定性，机体轴偏转，实现转弯。体轴偏转，实现转弯。应用较多。应用较多。 （3）同时控制副翼及方向舵同时控制副翼及方向舵 航向协调控制与稳定，较为复杂。航向协调控制与稳定，较为复杂。 2. 利用副翼控制与稳定航向利用副翼控制与稳定航向 （1）飞机倾斜运动与偏航运动的关系）飞机倾斜运动与偏航运动的关系 倾斜时，升力法向分力与重力相等；倾斜时，升力法向分力与重力相
35、等；转弯时离心力与升力水平分力相等：转弯时离心力与升力水平分力相等： (0)cossin(0)tan/()/57.3LmgLmVVgVg radgVgV近似最后可得，（2） 航向角控制系统基本结构图及控制律航向角控制系统基本结构图及控制律 测量航向偏差角，通过倾斜角控制系统，操纵测量航向偏差角，通过倾斜角控制系统，操纵副翼，飞机倾斜，实现偏航角的控制与稳定。副翼，飞机倾斜，实现偏航角的控制与稳定。 ()0aggaKKKK若令，说明：说明： 在控制规律中倾斜角反馈的作用相当于偏航角速在控制规律中倾斜角反馈的作用相当于偏航角速率反馈，起阻尼作用。率反馈，起阻尼作用。 如果倾斜角反馈的作用不足时，还
36、可引进偏航角如果倾斜角反馈的作用不足时，还可引进偏航角速度反馈，以增加航向阻尼。速度反馈，以增加航向阻尼。u自动协调转弯自动协调转弯 （1）概念）概念 为实现自动协调转弯，必须为实现自动协调转弯，必须同时同时完成三种动作完成三种动作: 操纵副翼建立稳定的滚转角，即操纵副翼建立稳定的滚转角，即 =常数；常数； 操纵方向舵，建立所要求的偏航角速度操纵方向舵，建立所要求的偏航角速度r，消除，消除 侧滑；侧滑； 操纵升降舵保持高度不变。操纵升降舵保持高度不变。 飞机在水平面内连续改变飞行方向，实现飞机在水平面内连续改变飞行方向，实现 无侧滑无侧滑(即即0)，并保持等高度的机动飞，并保持等高度的机动飞
37、行，称为自动协调转弯。行，称为自动协调转弯。 测量侧滑角测量侧滑角，通过方向舵进行控制，通过方向舵进行控制控制规律：控制规律：缺点：侧滑角测量不准，受大气扰动较大。缺点：侧滑角测量不准，受大气扰动较大。rK（2）消除侧滑的三种可能控制方案）消除侧滑的三种可能控制方案引入侧向加速度反馈，通过方向舵消除侧滑引入侧向加速度反馈，通过方向舵消除侧滑 转弯时产生侧向加速度：转弯时产生侧向加速度： 利用侧向加速度计测得的侧向加速度控制方向利用侧向加速度计测得的侧向加速度控制方向舵，抑制侧向加速度，从而抑制侧滑角。舵，抑制侧向加速度，从而抑制侧滑角。 缺点：缺点：因为因为 较小，故要求加速度计的灵敏较小，故
38、要求加速度计的灵敏度高，死区小。但容易感受结构模态影响。度高，死区小。但容易感受结构模态影响。 yayy利用计算的偏航角速率反馈通过方向舵消除侧滑利用计算的偏航角速率反馈通过方向舵消除侧滑 协调转弯：在倾斜角（协调转弯：在倾斜角（ ）和空速一定时，必须和空速一定时，必须保持有一定的偏航角速率保持有一定的偏航角速率r及俯仰角速率及俯仰角速率q。 .cossinrq(0)qtgV .cos(/)cos(/)sinrg Vtgg V.sin(/)sinqg V tg 该式表明，飞机倾斜后，实现自动协调转弯，即该式表明，飞机倾斜后，实现自动协调转弯，即=0=0，应有上式偏航角速率，应有上式偏航角速率r
39、 r及俯仰角速度及俯仰角速度q q。 根据倾斜角根据倾斜角 计算求得偏航角速度计算求得偏航角速度r r，作为指令信，作为指令信号号r rg g控制方向舵，使实测的偏航角速度控制方向舵，使实测的偏航角速度r r等于指令等于指令偏航角速度偏航角速度r rg g。 系统的结构图如图系统的结构图如图4.204.20所示。所示。 （3）协调转弯时纵向控制）协调转弯时纵向控制为了保持飞机在水平面内转弯，使飞机不掉高，为了保持飞机在水平面内转弯，使飞机不掉高，要解决如下两个问题要解决如下两个问题:保持法向力与重力平衡保持法向力与重力平衡 平飞时有平飞时有 L=G，倾斜时，法向力为，倾斜时，法向力为 如保持法
40、向力与重力平衡，应增加升力如保持法向力与重力平衡，应增加升力 ，以使，以使 上式表示在飞行速度不变情况下，欲使升力增加，上式表示在飞行速度不变情况下，欲使升力增加，则必须操纵升降舵上偏，以增大迎角则必须操纵升降舵上偏，以增大迎角 cosLLLGmgLLcos)(qSCGLGLLcos/ )cos1 (cos/ )cos(qsCGL/ cos/ )cos1 ( 迎角增量所引起的纵向力矩，与由升降舵偏角产迎角增量所引起的纵向力矩，与由升降舵偏角产生的力矩相平衡生的力矩相平衡 升降舵必须适当上偏，产生一定的抬头力矩升降舵必须适当上偏，产生一定的抬头力矩。 保持协调转弯时的上仰角速度保持协调转弯时的上
41、仰角速度 当有俯仰角速度当有俯仰角速度q时，飞机将会产生阻尼力矩。时，飞机将会产生阻尼力矩。 为克服阻尼力矩需升降舵上偏，产生抬头力矩。为克服阻尼力矩需升降舵上偏，产生抬头力矩。 MMeeeLeMqsCGMcos/ )cos1 (/sinqeeqeqeeM qMMgM q MtgMV 自动驾驶仪的使用范围自动驾驶仪的使用范围 -除起飞以外的所有飞行阶段。除起飞以外的所有飞行阶段。接通自动驾驶仪接通自动驾驶仪 当到达自动驾驶仪的接通高度并满足其他接通条当到达自动驾驶仪的接通高度并满足其他接通条 件后，件后， 按下自动驾驶仪的接通电门按下自动驾驶仪的接通电门即可接通自即可接通自 动驾驶仪。动驾驶仪
42、。 自动驾驶仪能否操纵飞机自动着陆，要根据安自动驾驶仪能否操纵飞机自动着陆，要根据安装在飞机上的自动驾驶仪的性能而定。装在飞机上的自动驾驶仪的性能而定。4. 4. 自动驾驶仪的接通和脱开自动驾驶仪的接通和脱开 自动驾驶仪接通后，根据需要选取自动驾驶仪自动驾驶仪接通后，根据需要选取自动驾驶仪的工作方式。飞行中根据飞行需要，可以转换的工作方式。飞行中根据飞行需要，可以转换操纵方式。操纵方式。脱开自动驾驶仪脱开自动驾驶仪 脱开自动驾驶仪的最常用方法是脱开自动驾驶仪的最常用方法是通过按压驾通过按压驾驶盘上的自动驾驶仪脱开电门驶盘上的自动驾驶仪脱开电门来脱开，并解除来脱开，并解除其脱开警告信号。其脱开警
43、告信号。 其他方法：断开自动驾驶仪接通电门进行脱其他方法：断开自动驾驶仪接通电门进行脱开；人工强行脱开等。开；人工强行脱开等。 * 脱开自动驾驶仪时，飞行员一定要控制飞机，脱开自动驾驶仪时，飞行员一定要控制飞机， 以以 防出现意外防出现意外. 飞行指引仪飞行指引仪FD根据选定的工作方式，自动计根据选定的工作方式，自动计算操纵指令，指引驾驶员操纵飞机，使飞机进入算操纵指令，指引驾驶员操纵飞机，使飞机进入给定轨迹并保持在给定轨迹上。给定轨迹并保持在给定轨迹上。 飞行指引仪在飞机起飞、爬升、巡航、下降、飞行指引仪在飞机起飞、爬升、巡航、下降、近进以及复飞的整个飞行阶段都能使用。近进以及复飞的整个飞行
44、阶段都能使用。 指引仪表在飞机上有水平状态指引、飞机姿指引仪表在飞机上有水平状态指引、飞机姿态指引、仪表着陆指引。态指引、仪表着陆指引。 本节主要介绍本节主要介绍飞机姿态指引仪飞机姿态指引仪。 4.24.2 飞行指引仪飞行指引仪 4.2.1 4.2.1 概述概述 采用十字指引针采用十字指引针 -利用纵向指引针和横侧向指引针来分别进利用纵向指引针和横侧向指引针来分别进 行俯仰指引和横滚指引行俯仰指引和横滚指引 。（1）两针的交叉点位于飞机符号中央）两针的交叉点位于飞机符号中央 表示到达预定状态表示到达预定状态 4.2.2 4.2.2 飞机姿态指引的方式飞机姿态指引的方式 - 方式有两种方式有两种
45、: 十字指引针、八字指引针十字指引针、八字指引针 （3）横侧指引针在飞机符号左边）横侧指引针在飞机符号左边 驾驶员应操纵飞机向左压坡度，反之应驾驶员应操纵飞机向左压坡度，反之应向右压坡度，使横侧指引针与飞机符号向右压坡度，使横侧指引针与飞机符号对齐，以达到预定倾斜角度。对齐，以达到预定倾斜角度。（2）纵向指引针在飞机符号上面）纵向指引针在飞机符号上面 驾驶员应操纵飞机抬头，反之应操纵飞驾驶员应操纵飞机抬头，反之应操纵飞机低头，以达到预定的俯仰角。机低头，以达到预定的俯仰角。 当两针的交叉点位于飞机符号中央时表示到达预当两针的交叉点位于飞机符号中央时表示到达预定状态；若纵向指引针在飞机符号上面，
46、驾驶员定状态；若纵向指引针在飞机符号上面，驾驶员应操纵飞机抬头，反之应操纵飞机低头，使纵向应操纵飞机抬头，反之应操纵飞机低头，使纵向指引针与飞机符号对齐，以达到预定的俯仰角。指引针与飞机符号对齐，以达到预定的俯仰角。若横侧指引针在飞机符号左边，驾驶员应操纵飞若横侧指引针在飞机符号左边，驾驶员应操纵飞机向左压坡度，反之应向右压坡度，使横侧指引机向左压坡度，反之应向右压坡度，使横侧指引针与飞机符号对齐，以达到预定倾斜角度针与飞机符号对齐，以达到预定倾斜角度 。说明说明 -利用八字指引针与飞机符号的上下关系来进利用八字指引针与飞机符号的上下关系来进 行俯仰指引，利用八字指引针与飞机符号的行俯仰指引，
47、利用八字指引针与飞机符号的 左右关系来进行横滚指引。左右关系来进行横滚指引。 采用八字指引针采用八字指引针 ( (又称又称“V”V”形指引针形指引针) )（1）八字指引针包围飞机符号）八字指引针包围飞机符号 表示到达预定状态表示到达预定状态 （3）八字指引针相对飞机符号右倾斜）八字指引针相对飞机符号右倾斜 驾驶员应向右压坡度，反之应向左压驾驶员应向右压坡度，反之应向左压坡度，使横侧指引针与飞机符号对齐，坡度，使横侧指引针与飞机符号对齐，以达到预定的倾斜角。以达到预定的倾斜角。（2）八字指引针在飞机符号之上）八字指引针在飞机符号之上 驾驶员应操纵飞机抬头，反之应操纵飞驾驶员应操纵飞机抬头，反之应
48、操纵飞机低头，以达到预定的俯仰角。机低头，以达到预定的俯仰角。 4.2.3 4.2.3 飞机姿态指引仪的组成飞机姿态指引仪的组成 飞机姿态指引仪主要由飞机姿态指引仪主要由飞行指引计算机飞行指引计算机，飞机指飞机指引方式选择板引方式选择板、动态通告牌动态通告牌、姿态指引指示器姿态指引指示器和和输入装置输入装置等组成等组成 。1. 1. 姿态指引指示器姿态指引指示器姿态指引指示器是飞机姿态指示与姿态指引的姿态指引指示器是飞机姿态指示与姿态指引的综合指示器。为了便于驾驶员观察飞机上其他综合指示器。为了便于驾驶员观察飞机上其他设备的指示，指示器内也综合有其它信息显示，设备的指示，指示器内也综合有其它信
49、息显示，如无线电高度表的指示、仪表着陆系统指示等。如无线电高度表的指示、仪表着陆系统指示等。 飞行飞行姿态指引指示器姿态指引指示器目前使用的有两种：目前使用的有两种： （1 1）机电式姿态指引指示器机电式姿态指引指示器ADIADI （2 2）电子姿态指引指示器）电子姿态指引指示器EADIEADI飞机的姿态来自垂直飞机的姿态来自垂直陀螺或惯性基准系统。陀螺或惯性基准系统。飞行姿态指引针受飞飞行姿态指引针受飞机姿态指引计算机输机姿态指引计算机输出信号的驱动。出信号的驱动。 2. 飞行指引计算机飞行指引计算机 飞行指引计算机飞行指引计算机FDC(Flight Director Computer)是飞
50、行姿态指引仪的核心部件，它为姿态指引仪是飞行姿态指引仪的核心部件，它为姿态指引仪提供飞机的俯仰和横侧指令、故障旗收放指令和提供飞机的俯仰和横侧指令、故障旗收放指令和飞行指引通告指示。飞行指引通告指示。 在有的飞机上，飞行指引计算机是单独的；在有在有的飞机上，飞行指引计算机是单独的；在有的飞机上是与自动驾驶仪的计算机合为一体，称的飞机上是与自动驾驶仪的计算机合为一体，称为飞行控制计算机。为飞行控制计算机。飞行指引方式控制板用于驾驶员接通飞行指引方式控制板用于驾驶员接通/断开飞行断开飞行指引系统以及选择飞行指引方式。不同型号的飞指引系统以及选择飞行指引方式。不同型号的飞行指引系统，其控制板也存在差
