《自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)》課件01 概述

1、自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)第一章 飛行力學(xué)基礎(chǔ)第二章 飛行器運(yùn)動(dòng)方程第四章 舵機(jī)與舵回路第五章 典型飛行控制系統(tǒng)分析第六章 典型飛行控制系統(tǒng)實(shí)例第七章 現(xiàn)代飛行技術(shù)飛行控制系統(tǒng)緒論第一節(jié) 飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展回顧第二節(jié) 飛行控制系統(tǒng)的基本任務(wù)第三節(jié) 飛行控制系統(tǒng)的基本組成和功能 第一節(jié) 飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展回顧19世紀(jì)末嘗試過(guò)用伺服驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)反饋保證飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性。當(dāng)時(shí)人們的空氣動(dòng)力學(xué)和飛行力學(xué)知識(shí)十分淺薄，自動(dòng)控制理論也處在萌芽時(shí)期 實(shí)現(xiàn)飛行器自動(dòng)控制的設(shè)想未付諸實(shí)現(xiàn)。1903年12月17日萊特兄弟駕駛自行研制的固定翼飛機(jī)飛行者一號(hào)實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)史上首次重于空氣的航空器持續(xù)而且受控的動(dòng)力飛行 第一節(jié) 飛行控

2、制系統(tǒng)的發(fā)展回顧1912年美國(guó) 愛(ài)莫爾 斯派雷（Eimer Sperry）研制成功第一臺(tái)電動(dòng)陀螺穩(wěn)定裝置 保持飛機(jī)穩(wěn)定平飛。 能夠穩(wěn)定飛機(jī)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制裝置（自動(dòng)駕駛儀autopilot）得以迅速發(fā)展。Courtesy the Hagley Museum & LibraryElmer Sperry and his Gyro-Compass 第一節(jié) 飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展回顧第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)和原蘇聯(lián)相繼研制出功能較完善的電氣式自動(dòng)駕駛儀；二次世界大戰(zhàn)后起，德國(guó)研制成功飛航式導(dǎo)彈和彈道式導(dǎo)彈， 更加促進(jìn)了飛行自動(dòng)控制裝置的研制和發(fā)展。導(dǎo)彈按空中的飛行軌跡可分為兩大類(lèi)，即飛航式導(dǎo)彈和彈道導(dǎo)彈

3、（也稱(chēng)有翼導(dǎo)彈和無(wú)翼導(dǎo)彈）。飛航式導(dǎo)彈在大氣層中飛行，彈體附有彈翼、尾翼和舵面。而彈道導(dǎo)彈的飛行軌跡主要在大氣層以外，無(wú)彈翼。 The V-2 was guided by four external rudders on the tail fins, and four internal graphite vanes at the exit of the motor. The LEV-3 guidance system consisted of two free gyroscopes (a horizontal and a vertical) for lateral stabilization,

4、 and a PIGA accelerometer to control engine cutoff at a specified velocity 第一節(jié) 飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展回顧第二次世界大戰(zhàn)后，將自動(dòng)駕駛儀和其它機(jī)載裝置組合構(gòu)成飛機(jī)的航跡自動(dòng)控制，如：定高和自動(dòng)下滑導(dǎo)引系統(tǒng)。成功突破音障以后，飛機(jī)的飛行包線（飛行速度和高度的變化范圍）逐漸擴(kuò)大，越來(lái)越復(fù)雜的飛行任務(wù)對(duì)飛機(jī)性能要求也越來(lái)越高，僅靠氣動(dòng)布局和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)所獲得的飛機(jī)性能已經(jīng)很難滿足復(fù)雜飛行任務(wù)的要求。因此借助于自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)改善飛機(jī)穩(wěn)定性的飛行自動(dòng)控制裝置（如增穩(wěn)系統(tǒng)）相繼問(wèn)世， 自動(dòng)駕駛儀的功能進(jìn)一步的擴(kuò)展， 飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)（

5、automatic flight control system- AFCS）。長(zhǎng)周期起伏振蕩第一節(jié) 飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展回顧20世紀(jì)60年代產(chǎn)生了隨控布局飛行器 使配平的迎角減小， 從而減小阻力，提高升阻比，并可以減小平尾尺寸和質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為飛行控制系統(tǒng)的核心裝置。 飛行控制系統(tǒng)的功能和內(nèi)涵也在不斷地?cái)U(kuò)展，成為飛行器設(shè)計(jì)中不可缺少的至關(guān)重要的技術(shù)。第二節(jié) 飛行控制系統(tǒng)的基本任務(wù)改善飛行品質(zhì)改善固有運(yùn)動(dòng)特性改善操縱特性改善擾動(dòng)特性改善大擾動(dòng)的控制問(wèn)題協(xié)助航跡控制全自動(dòng)航跡控制監(jiān)控和任務(wù)規(guī)劃第三節(jié) 飛行控制系統(tǒng)的基本組成和功能自動(dòng)駕駛方式的特點(diǎn)：駕駛員在控制回路之外，只是

6、監(jiān)視著儀器儀表的信息，并不操縱駕駛桿。控制機(jī)構(gòu)（如：氣動(dòng)舵面和發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)等）的動(dòng)作完全由隨動(dòng)系統(tǒng)按照自動(dòng)裝置的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)完成。第三節(jié) 飛行控制系統(tǒng)的基本組成和功能半自動(dòng)駕駛方式的特點(diǎn)：隨動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)由駕駛員來(lái)完成的;駕駛員監(jiān)視儀表并操縱駕駛桿來(lái)修正由半自動(dòng)裝置形成失配信號(hào)。人工駕駛方式的特點(diǎn)：駕駛員親自對(duì)周?chē)娘w行環(huán)境觀察從領(lǐng)航員、調(diào)度員和指示儀表中獲得飛行信息，要獨(dú)立地決策并操縱駕駛桿來(lái)完成控制動(dòng)作。在飛行過(guò)程中，駕駛員要全神關(guān)注地觀察著各種飛行指示儀表，然后經(jīng)過(guò)大腦思維做出決斷，并通過(guò)手腳來(lái)適時(shí)準(zhǔn)確地操縱飛機(jī)。二、自動(dòng)飛行的基本原理 “反饋”自動(dòng)飛行 是用一套控制系統(tǒng)在無(wú)人直接參與的條件下

7、自動(dòng)地控制飛行器（主要指飛機(jī)和導(dǎo)彈）的飛行。其控制系統(tǒng)稱(chēng)為飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)。1、駕駛員是如何控制飛機(jī)的呢？（以要求飛機(jī)作水平直線飛行為例）陀螺地平儀大腦神經(jīng)眼睛飛機(jī)駕駛桿胳膊手腳操縱舵面圖0-1 人工駕駛飛機(jī)的過(guò)程駕駛員基準(zhǔn)圖 0-2 飛行控制系統(tǒng)自動(dòng)控制過(guò)程自動(dòng)飛行的原理：當(dāng)飛機(jī)偏離原態(tài)時(shí)，敏感元件感受偏離的方向和大小并輸出相應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)放大計(jì)算處理，操縱機(jī)構(gòu)（稱(chēng)為舵機(jī)），使舵面相應(yīng)偏轉(zhuǎn)。由于整個(gè)系統(tǒng)是按負(fù)反饋的原理連接的，其結(jié)果是使飛機(jī)趨于原態(tài)。當(dāng)飛機(jī)回到原態(tài)時(shí)，敏感元件輸出信號(hào)為零，舵機(jī)以及與舵機(jī)機(jī)械相連的舵面也回到原位，飛機(jī)重按原來(lái)姿態(tài)飛行。敏感元件+放大計(jì)算計(jì)算裝置+執(zhí)行機(jī)構(gòu)=自動(dòng)駕

8、駛儀敏感元件放大計(jì)算裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)升降舵飛 機(jī)自動(dòng)駕駛儀預(yù)置指令基本的飛行控制系統(tǒng)包括:阻尼器（Damper）；增穩(wěn)系統(tǒng)（Stability augmentation system-SAS）；控制增穩(wěn)系統(tǒng)(Control augmentation system-CAS)；自動(dòng)駕駛儀(Autopilot)。俯仰阻尼器與駕駛員在操縱飛機(jī)過(guò)程中的控制分工俯仰阻尼器僅僅通過(guò)反饋俯仰角速度來(lái)改善飛機(jī)的阻尼特性，而對(duì)姿態(tài)和航跡的控制任務(wù)還仍然由駕駛員來(lái)完成。操縱系統(tǒng)飛機(jī)伺服電機(jī)阻尼器傳感器駕駛員eq,g圖0-4 阻尼器與駕駛員之間的關(guān)系最基本的自動(dòng)駕駛儀方案缺點(diǎn)：進(jìn)行航跡控制仍然是間接的并且很麻煩，只能解除駕駛員短時(shí)間內(nèi)的工作負(fù)擔(dān)。仍然不能穩(wěn)定飛行航跡。操縱系統(tǒng)飛機(jī)阻尼器 伺服機(jī)構(gòu)阻尼器自動(dòng)駕駛儀伺服機(jī)構(gòu)駕駛員eqg圖0-5 阻尼器和自動(dòng)駕駛儀與駕駛員之間的關(guān)系姿態(tài)控制器（A/P）高度穩(wěn)定系統(tǒng)缺點(diǎn)：僅是基準(zhǔn)高度發(fā)生小偏離情況而設(shè)計(jì)的；不能實(shí)現(xiàn)彎曲航跡的自動(dòng)控制。高度 控制器飛機(jī)阻尼器 伺服機(jī)構(gòu)阻尼器自動(dòng)駕駛儀伺服機(jī)構(gòu)eqg圖0-6 高度穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖姿態(tài) 控制器h-hc典型飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖飛行管理計(jì)算機(jī)飛行導(dǎo)引計(jì)算機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)操縱系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛行 動(dòng)力學(xué)監(jiān)控 顯示器導(dǎo)引顯示直接傳輸操作設(shè)