飛行器自動(dòng)控制導(dǎo)論-第一章飛行控制系統(tǒng)概述

第一章飛行控制系統(tǒng)概述1.1飛行器自動(dòng)控制1.1.1飛行控制系統(tǒng)的功能隨著飛行任務(wù)的不斷復(fù)雜化，對(duì)飛機(jī)性能的要求越來(lái)越高，不僅要求飛行距離遠(yuǎn)（例如運(yùn)輸機(jī)），高度高（高空偵察機(jī)），而且還要求飛機(jī)有良好的機(jī)動(dòng)性（例如戰(zhàn)斗機(jī)）。為了減輕駕駛員在長(zhǎng)途飛行中的疲勞，或使駕駛員集中精力戰(zhàn)斗，希望用自動(dòng)控制系統(tǒng)代替駕駛員控制飛行，并能改善飛機(jī)的飛行性能。這種系統(tǒng)就是現(xiàn)代飛機(jī)上安裝的飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)的功能歸結(jié)起來(lái)有兩點(diǎn)：1）實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自動(dòng)飛行；2）改善飛機(jī)的飛行性能。飛機(jī)的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)在無(wú)人參與的情況下，自動(dòng)操縱飛機(jī)按規(guī)定的姿態(tài)和航跡飛行，通?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的三軸姿態(tài)角和飛機(jī)三個(gè)方向的空間位置的自動(dòng)控制與穩(wěn)定。例如，無(wú)人駕駛飛行器（如無(wú)人機(jī)或?qū)椀龋?，?shí)現(xiàn)完全的飛行自動(dòng)控制；對(duì)于有人駕駛的飛機(jī)（如民用客機(jī)或軍用飛機(jī)），雖然有人參與駕駛，但某些飛行階段（如巡航段），駕駛員可以不直接參與操縱，而由飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)飛行的自動(dòng)控制，但駕駛員應(yīng)完成對(duì)自動(dòng)飛行指令的設(shè)置和監(jiān)督自動(dòng)飛行的情況，并可以隨時(shí)切斷自動(dòng)控制而實(shí)現(xiàn)人工駕駛。采用自動(dòng)飛行具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）長(zhǎng)距離飛行時(shí)解除駕駛員的疲勞，減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān)；2）在一些惡劣天氣或復(fù)雜的環(huán)境下，駕駛員難于精確控制飛機(jī)的姿態(tài)和航跡，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)可以精確對(duì)飛機(jī)姿態(tài)和航跡的精確控制；3）有一些飛行操縱任務(wù)，駕駛員難于精確完成，如進(jìn)場(chǎng)著陸，采用自動(dòng)飛行控制則可以較好地完成任務(wù)。一般來(lái)說(shuō)，飛機(jī)的性能和飛行品質(zhì)是由飛機(jī)本身氣動(dòng)特性和發(fā)動(dòng)機(jī)特性決定的，但隨著飛機(jī)飛行高度及飛行速度的增加，飛機(jī)的自身特性將會(huì)變壞。如飛機(jī)在高空飛行時(shí)，由于空氣稀薄，飛機(jī)的阻尼特性變壞，致使飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重的擺動(dòng)，靠駕駛員人工操縱將會(huì)很困難。此外，設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)，為了減小質(zhì)量和阻力，提高有用升力，將飛機(jī)設(shè)計(jì)成靜不穩(wěn)定的。對(duì)于這種靜不穩(wěn)定的飛機(jī)，駕駛員是難于操縱的。在飛機(jī)上采用增穩(wěn)系統(tǒng)或阻尼系統(tǒng)可以很好地解決這些問(wèn)題。1.1.2控制面飛行器自動(dòng)控制可以使飛行器在受干擾情況下保持飛行器的姿態(tài)，或改變飛行器的姿態(tài)或空間位置，通過(guò)對(duì)飛行器施加力或力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)，飛行器的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓定律。一般來(lái)說(shuō)，操縱飛機(jī)是通過(guò)偏轉(zhuǎn)控制面來(lái)實(shí)現(xiàn)。常規(guī)布局飛機(jī)通常有三個(gè)控制面：升降舵（Elevator）、方向舵(Rudder)和副翼(Ailerons)。升降舵主要控制飛機(jī)縱向平面的運(yùn)動(dòng)，方向舵和副翼主要控制飛機(jī)側(cè)向平面的運(yùn)動(dòng)。這些控制面與相應(yīng)的控制設(shè)備形成控制通道，構(gòu)成簡(jiǎn)單的飛行控制系統(tǒng)。對(duì)于隨控布局飛行器（ControlConfiguredVehicle，簡(jiǎn)稱CCV）來(lái)說(shuō)，有更多的控制面，除了全動(dòng)平尾（All-movingtail）、全動(dòng)直尾（All-movingfins）和副翼外，還可能有前緣縫翼（Leadingedgeslates）、襟翼（Flaps）、水平鴨翼（Horizontalcanard）、垂直鴨翼（Verticalcanard）等控制面。1.2飛行器控制系統(tǒng)組成1.2.1飛機(jī)人工駕駛基本過(guò)程如果飛機(jī)在平飛過(guò)程中，由于某中外界干擾使飛機(jī)抬頭，不在保持水平狀態(tài)。駕駛員從地平儀上觀察到這個(gè)姿態(tài)角（俯仰角）的變化，反映到大腦中，經(jīng)過(guò)思維判斷立即做出如何操縱飛機(jī)的決定，指揮手去推動(dòng)駕駛桿，驅(qū)動(dòng)升降舵向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相應(yīng)的下俯力矩，使飛機(jī)低頭恢復(fù)水平姿態(tài)。駕駛員又從儀表上看到這一變化，逐漸把駕駛桿收回原位。當(dāng)飛機(jī)回到原態(tài)（水平）時(shí)，駕駛桿和升降舵也回到原位。整個(gè)過(guò)程如圖1-2所示。飛機(jī)飛機(jī)地平儀眼睛大腦手駕駛桿升降舵駕駛員圖1-2人工駕駛飛機(jī)示意圖圖1-2人工駕駛飛機(jī)示意圖從圖1-2看出，這是一個(gè)反饋系統(tǒng)，即閉環(huán)系統(tǒng)。圖中虛線表示駕駛員，如果用自動(dòng)駕駛儀代替駕駛員控制飛機(jī)飛行，自動(dòng)駕駛儀必須包括與虛線框內(nèi)三個(gè)部分相應(yīng)的裝置，并與飛機(jī)組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1-3所示。1.2.2飛行控制系統(tǒng)基本組成飛機(jī)飛機(jī)敏感元件放大計(jì)算裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)升降舵自動(dòng)駕駛儀圖1-3自動(dòng)駕駛儀控制飛機(jī)示意圖自動(dòng)飛行的原理如下：當(dāng)飛機(jī)偏離原始狀態(tài)，敏感元件感受到偏離方向和大小，并輸出相應(yīng)信號(hào)，經(jīng)放大、計(jì)算處理，操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如舵機(jī)），使控制面（例如升降舵面）相應(yīng)偏轉(zhuǎn)。由于整個(gè)系統(tǒng)是按負(fù)反饋原則連接的，其結(jié)果使飛機(jī)趨向原始狀態(tài)。當(dāng)飛機(jī)回到原始狀態(tài)時(shí)，敏感元件輸出信號(hào)為零，舵機(jī)以及與其相連接的舵面也回到原位，飛機(jī)重新按原始狀態(tài)飛行。由此可見(jiàn)，自動(dòng)駕駛儀中的敏感元件、放大計(jì)算裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)可代替駕駛員的眼睛、大腦神經(jīng)系統(tǒng)和肢體，自動(dòng)地控制飛機(jī)的飛行。這三部分是自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的核心，即自動(dòng)駕駛儀。為改善舵機(jī)的性能，通常執(zhí)行機(jī)構(gòu)引入內(nèi)反饋（將舵機(jī)的輸出反饋到輸入端）形成隨動(dòng)系統(tǒng)（或稱伺服回路），簡(jiǎn)稱為舵回路。舵回路是由舵機(jī)、放大器及反饋元件組成，如圖1-4虛線框內(nèi)所示。反饋元件包括測(cè)速機(jī)和/或位置傳感器。測(cè)速機(jī)測(cè)出舵面偏轉(zhuǎn)的角速度，反饋給放大器以增大舵回路的阻尼，改善舵回路的性能，位置傳感器將舵面位置反饋到舵回路的輸入端，使控制信號(hào)與舵面偏角一一對(duì)應(yīng)。舵回路的負(fù)載是舵面的慣量和作用在舵面上的氣動(dòng)力矩（鉸鏈力矩）。自動(dòng)駕駛儀與飛機(jī)組成一個(gè)回路——通常稱為穩(wěn)定回路。這個(gè)回路的主要功能是穩(wěn)定飛機(jī)的姿態(tài)，或者說(shuō)穩(wěn)定飛機(jī)的角運(yùn)動(dòng)。敏感元件用來(lái)測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)角。由于該回路中，包含了飛機(jī)，而飛機(jī)的動(dòng)態(tài)特性又隨飛行條件（如速度、高度等）而異，使穩(wěn)定回路的分析變得較復(fù)雜。如果用敏感元件測(cè)量飛機(jī)的重心位置，而飛機(jī)還包含了運(yùn)動(dòng)學(xué)環(huán)節(jié)（表征飛機(jī)空間位置幾何關(guān)系的環(huán)節(jié)），這樣組成一個(gè)更大的新回路，控制回路（或控制與導(dǎo)引回路，簡(jiǎn)稱制導(dǎo)回路）。下面以飛機(jī)自動(dòng)下滑著陸系統(tǒng)為例，說(shuō)明控制原理。這里只研究飛機(jī)的縱向（俯仰、上下和前后）運(yùn)動(dòng)。要求飛機(jī)在著地前沿預(yù)定航跡下滑到預(yù)定高度（十幾米），然后將飛機(jī)拉平，飛機(jī)不斷下降，最終以允許的下降速率著陸。預(yù)定的下滑航跡是由機(jī)場(chǎng)的無(wú)線電裝置形成的。飛機(jī)處于預(yù)定下滑航跡，飛機(jī)上相應(yīng)的無(wú)線電接收機(jī)輸出信號(hào)為零。飛機(jī)偏離下滑航跡，接收輸出相應(yīng)極性和幅值的信號(hào)，送至穩(wěn)定回路，在自動(dòng)駕駛儀的控制下飛機(jī)回到下滑航跡。例如飛機(jī)在預(yù)定下滑航跡的上方，接收機(jī)將某極性的信號(hào)送給自動(dòng)駕駛儀使升降舵下偏，產(chǎn)生低頭控制力矩，使飛機(jī)進(jìn)入下滑航跡。飛機(jī)進(jìn)入下滑航跡后，接收機(jī)輸出為零，舵偏角為零，飛機(jī)保持在下滑航跡上。由此可見(jiàn)，飛機(jī)重心的運(yùn)動(dòng)（即空間位置的變化）是通過(guò)控制飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂圃砣鐖D1-4所示。接收機(jī)接收機(jī)放大計(jì)算裝置放大器舵機(jī)舵面飛機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)環(huán)節(jié)反饋元件敏感元件舵回路穩(wěn)定回路圖1-4控制（制導(dǎo)）回路圖1-4控制（制導(dǎo)）回路1.3飛行控制技術(shù)的發(fā)展二十世紀(jì)六十年代，飛行器設(shè)計(jì)思想發(fā)生了根本性變化，即出現(xiàn)了隨控布局設(shè)計(jì)思想，從而取代了以氣動(dòng)布局為中心的設(shè)計(jì)思想。原因是，在條件允許情況下，必須從整體、從整個(gè)系統(tǒng)出發(fā)考慮飛行器的設(shè)計(jì)，才有可能大幅度提高所設(shè)計(jì)的飛行器性能。所謂隨控布局設(shè)計(jì)思想意指：綜合考慮氣動(dòng)布局、飛行器結(jié)構(gòu)，推進(jìn)裝置、控制系統(tǒng)四個(gè)環(huán)節(jié)，并以控制為紐帶充分發(fā)揮和協(xié)調(diào)四個(gè)環(huán)節(jié)的功能，從而大大提高整個(gè)飛行器的性能。與隨控布局同時(shí)產(chǎn)生的是主動(dòng)控制設(shè)計(jì)思想，主動(dòng)控制設(shè)計(jì)思想實(shí)際上是隨控布局設(shè)計(jì)思想的一個(gè)重要支柱。主動(dòng)控制技術(shù)（ActiveControlTechnology）可作如下描述：它從過(guò)去的從屬地位變?yōu)轱w行器總體設(shè)計(jì)的四個(gè)主要環(huán)節(jié)之一，從而主動(dòng)，積極地參與飛行器總體布局、總體方案和總體設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)。另一方面，過(guò)去飛行器如果存在靜穩(wěn)定度不夠或靜不穩(wěn)定，或者為了防止顫振的發(fā)生，都采用加配重的方法，以調(diào)整飛行器的重心，使其位于空氣動(dòng)力中心的前面，或者調(diào)整飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和剛度，顯然這些都屬于被動(dòng)應(yīng)付的措施。如果采用放寬靜穩(wěn)定度，顫振抑制等主動(dòng)控制技術(shù)，就可避免加配重的被動(dòng)局面。主動(dòng)控制技術(shù)的主要功能1）放寬靜穩(wěn)定性（Relaxedstaticstability——RSS）；2）直接力控制（Directforcecontrol——DFC）；3）機(jī)動(dòng)載荷控制（Maneuveringloadcon