飛行器自動控制導論-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飛行器自動控制1.1.1飛行控制系統(tǒng)的功能隨著飛行任務的不斷復雜化，對飛機性能的要求越來越高，不僅要求飛行距離遠（例如運輸機），高度高（高空偵察機），而且還要求飛機有良好的機動性（例如戰(zhàn)斗機）。為了減輕駕駛員在長途飛行中的疲勞，或使駕駛員集中精力戰(zhàn)斗，希望用自動控制系統(tǒng)代替駕駛員控制飛行，并能改善飛機的飛行性能。這種系統(tǒng)就是現(xiàn)代飛機上安裝的飛行自動控制系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)的功能歸結(jié)起來有兩點：1）實現(xiàn)飛機的自動飛行；2）改善飛機的飛行性能。飛機的自動飛行控制系統(tǒng)在無人參與的情況下，自動操縱飛機按規(guī)定的姿態(tài)和航跡飛行，通?？蓪崿F(xiàn)對飛機的三軸姿態(tài)角和飛機三個方向的空間位置的自動控制與穩(wěn)定。例如，無人駕駛飛行器（如無人機或?qū)椀龋瑢崿F(xiàn)完全的飛行自動控制；對于有人駕駛的飛機（如民用客機或軍用飛機），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)實現(xiàn)對飛機飛行的自動控制，但駕駛員應完成對自動飛行指令的設置和監(jiān)督自動飛行的情況，并可以隨時切斷自動控制而實現(xiàn)人工駕駛。采用自動飛行具有以下優(yōu)點：1）長距離飛行時解除駕駛員的疲勞，減輕駕駛員的工作負擔；2）在一些惡劣天氣或復雜的環(huán)境下，駕駛員難于精確控制飛機的姿態(tài)和航跡，自動飛行控制系統(tǒng)可以精確對飛機姿態(tài)和航跡的精確控制；3）有一些飛行操縱任務，駕駛員難于精確完成，如進場著陸，采用自動飛行控制則可以較好地完成任務。一般來說，飛機的性能和飛行品質(zhì)是由飛機本身氣動特性和發(fā)動機特性決定的，但隨著飛機飛行高度及飛行速度的增加，飛機的自身特性將會變壞。如飛機在高空飛行時，由于空氣稀薄，飛機的阻尼特性變壞，致使飛機角運動產(chǎn)生嚴重的擺動，靠駕駛員人工操縱將會很困難。此外，設計飛機時，為了減小質(zhì)量和阻力，提高有用升力，將飛機設計成靜不穩(wěn)定的。對于這種靜不穩(wěn)定的飛機，駕駛員是難于操縱的。在飛機上采用增穩(wěn)系統(tǒng)或阻尼系統(tǒng)可以很好地解決這些問題。1.1.2控制面飛行器自動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，通過對飛行器施加力或力矩來實現(xiàn)，飛行器的運動遵循牛頓定律。一般來說，操縱飛機是通過偏轉(zhuǎn)控制面來實現(xiàn)。常規(guī)布局飛機通常有三個控制面：升降舵（Elevator）、方向舵(Rudder)和副翼(Ailerons)。升降舵主要控制飛機縱向平面的運動，方向舵和副翼主要控制飛機側(cè)向平面的運動。這些控制面與相應的控制設備形成控制通道，構(gòu)成簡單的飛行控制系統(tǒng)。對于隨控布局飛行器（ControlConfiguredVehicle，簡稱CCV）來說，有更多的控制面，除了全動平尾（All-movingtail）、全動直尾（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飛機人工駕駛基本過程如果飛機在平飛過程中，由于某中外界干擾使飛機抬頭，不在保持水平狀態(tài)。駕駛員從地平儀上觀察到這個姿態(tài)角（俯仰角）的變化，反映到大腦中，經(jīng)過思維判斷立即做出如何操縱飛機的決定，指揮手去推動駕駛桿，驅(qū)動升降舵向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相應的下俯力矩，使飛機低頭恢復水平姿態(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。當飛機回到原態(tài)（水平）時，駕駛桿和升降舵也回到原位。整個過程如圖1-2所示。飛機飛機地平儀眼睛大腦手駕駛桿升降舵駕駛員圖1-2人工駕駛飛機示意圖圖1-2人工駕駛飛機示意圖從圖1-2看出，這是一個反饋系統(tǒng)，即閉環(huán)系統(tǒng)。圖中虛線表示駕駛員，如果用自動駕駛儀代替駕駛員控制飛機飛行，自動駕駛儀必須包括與虛線框內(nèi)三個部分相應的裝置，并與飛機組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1-3所示。1.2.2飛行控制系統(tǒng)基本組成飛機飛機敏感元件放大計算裝置執(zhí)行機構(gòu)升降舵自動駕駛儀圖1-3自動駕駛儀控制飛機示意圖自動飛行的原理如下：當飛機偏離原始狀態(tài)，敏感元件感受到偏離方向和大小，并輸出相應信號，經(jīng)放大、計算處理，操縱執(zhí)行機構(gòu)（如舵機），使控制面（例如升降舵面）相應偏轉(zhuǎn)。由于整個系統(tǒng)是按負反饋原則連接的，其結(jié)果使飛機趨向原始狀態(tài)。當飛機回到原始狀態(tài)時，敏感元件輸出信號為零，舵機以及與其相連接的舵面也回到原位，飛機重新按原始狀態(tài)飛行。由此可見，自動駕駛儀中的敏感元件、放大計算裝置和執(zhí)行機構(gòu)可代替駕駛員的眼睛、大腦神經(jīng)系統(tǒng)和肢體，自動地控制飛機的飛行。這三部分是自動飛行控制系統(tǒng)的核心，即自動駕駛儀。為改善舵機的性能，通常執(zhí)行機構(gòu)引入內(nèi)反饋（將舵機的輸出反饋到輸入端）形成隨動系統(tǒng)（或稱伺服回路），簡稱為舵回路。舵回路是由舵機、放大器及反饋元件組成，如圖1-4虛線框內(nèi)所示。反饋元件包括測速機和/或位置傳感器。測速機測出舵面偏轉(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，使控制信號與舵面偏角一一對應。舵回路的負載是舵面的慣量和作用在舵面上的氣動力矩（鉸鏈力矩）。自動駕駛儀與飛機組成一個回路——通常稱為穩(wěn)定回路。這個回路的主要功能是穩(wěn)定飛機的姿態(tài)，或者說穩(wěn)定飛機的角運動。敏感元件用來測量飛機的姿態(tài)角。由于該回路中，包含了飛機，而飛機的動態(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雜。如果用敏感元件測量飛機的重心位置，而飛機還包含了運動學環(huán)節(jié)（表征飛機空間位置幾何關系的環(huán)節(jié)），這樣組成一個更大的新回路，控制回路（或控制與導引回路，簡稱制導回路）。下面以飛機自動下滑著陸系統(tǒng)為例，說明控制原理。這里只研究飛機的縱向（俯仰、上下和前后）運動。要求飛機在著地前沿預定航跡下滑到預定高度（十幾米），然后將飛機拉平，飛機不斷下降，最終以允許的下降速率著陸。預定的下滑航跡是由機場的無線電裝置形成的。飛機處于預定下滑航跡，飛機上相應的無線電接收機輸出信號為零。飛機偏離下滑航跡，接收輸出相應極性和幅值的信號，送至穩(wěn)定回路，在自動駕駛儀的控制下飛機回到下滑航跡。例如飛機在預定下滑航跡的上方，接收機將某極性的信號送給自動駕駛儀使升降舵下偏，產(chǎn)生低頭控制力矩，使飛機進入下滑航跡。飛機進入下滑航跡后，接收機輸出為零，舵偏角為零，飛機保持在下滑航跡上。由此可見，飛機重心的運動（即空間位置的變化）是通過控制飛機角運動來實現(xiàn)的?？刂圃砣鐖D1-4所示。接收機接收機放大計算裝置放大器舵機舵面飛機運動學環(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）回路圖1-4控制（制導）回路1.3飛行控制技術(shù)的發(fā)展二十世紀六十年代，飛行器設計思想發(fā)生了根本性變化，即出現(xiàn)了隨控布局設計思想，從而取代了以氣動布局為中心的設計思想。原因是，在條件允許情況下，必須從整體、從整個系統(tǒng)出發(fā)考慮飛行器的設計，才有可能大幅度提高所設計的飛行器性能。所謂隨控布局設計思想意指：綜合考慮氣動布局、飛行器結(jié)構(gòu)，推進裝置、控制系統(tǒng)四個環(huán)節(jié)，并以控制為紐帶充分發(fā)揮和協(xié)調(diào)四個環(huán)節(jié)的功能，從而大大提高整個飛行器的性能。與隨控布局同時產(chǎn)生的是主動控制設計思想，主動控制設計思想實際上是隨控布局設計思想的一個重要支柱。主動控制技術(shù)（ActiveControlTechnology）可作如下描述：它從過去的從屬地位變?yōu)轱w行器總體設計的四個主要環(huán)節(jié)之一，從而主動，積極地參與飛行器總體布局、總體方案和總體設計各個環(huán)節(jié)。另一方面，過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，使其位于空氣動力中心的前面，或者調(diào)整飛機的結(jié)構(gòu)和剛度，顯然這些都屬于被動應付的措施。如果采用放寬靜穩(wěn)定度，顫振抑制等主動控制技術(shù)，就可避免加配重的被動局面。主動控制技術(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）機動載荷控制（Maneuveringloadcon