飛行力學(xué)與控制10飛機(jī)姿態(tài)控制

1、第六章第六章 飛機(jī)姿態(tài)角運(yùn)動(dòng)的控制飛機(jī)姿態(tài)角運(yùn)動(dòng)的控制引言引言6.1姿態(tài)角控制器結(jié)構(gòu)姿態(tài)角控制器結(jié)構(gòu)6.2姿態(tài)角控制器設(shè)計(jì)示例姿態(tài)角控制器設(shè)計(jì)示例6.3操縱系統(tǒng)與自動(dòng)駕駛儀控制方式操縱系統(tǒng)與自動(dòng)駕駛儀控制方式引言 回顧:縱/橫向阻尼器.sas,cas是為了改善飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性,作用改善飛行品質(zhì).其系統(tǒng)工作方式屬于全時(shí)工作 本章:縱/橫向俯仰角,滾轉(zhuǎn)角和航向的控制,是為了替代駕駛員的部分工作,減輕長(zhǎng)途飛行的疲勞,是自動(dòng)駕駛儀的基本組成部分.自動(dòng)駕駛儀的工作模式由駕駛員選擇. 自動(dòng)駕駛儀是在阻尼器基礎(chǔ)上發(fā)展而來的.控制器設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法控制器設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法(俯仰為例俯仰為例):1)抑制長(zhǎng)周期

2、模態(tài)抑制長(zhǎng)周期模態(tài);2)構(gòu)成高度控制器構(gòu)成高度控制器,實(shí)現(xiàn)縱向航跡的控制實(shí)現(xiàn)縱向航跡的控制方式方式:在阻尼器的基礎(chǔ)上在阻尼器的基礎(chǔ)上,添加外回路反饋俯仰角添加外回路反饋俯仰角.設(shè)計(jì)的目標(biāo)設(shè)計(jì)的目標(biāo),具有小的穩(wěn)態(tài)誤差具有小的穩(wěn)態(tài)誤差,又有良好的瞬態(tài)特性又有良好的瞬態(tài)特性.為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)需要增益和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)需要增益和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器.系統(tǒng)綜合的方法系統(tǒng)綜合的方法:先設(shè)計(jì)內(nèi)回路先設(shè)計(jì)內(nèi)回路,再設(shè)計(jì)外回路再設(shè)計(jì)外回路.自動(dòng)駕駛儀的基本功能自動(dòng)駕駛儀的基本功能 穩(wěn)定模式:飛機(jī)自動(dòng)保持原來的姿態(tài)角,00( ),0,( ),cttcc例如：自動(dòng)駕駛儀輸入指令信號(hào)分別為能增加長(zhǎng)周期阻尼，抑制長(zhǎng)周期模態(tài)

3、；保持機(jī)翼水平，穩(wěn)定螺旋模態(tài)；給定變化的航向(或俯仰角),使飛機(jī)自動(dòng)改變航向, 并穩(wěn)定于該航向.作為航跡控制器的組成部分飛機(jī)本體阻尼器舵機(jī)姿態(tài)控制器姿態(tài)指令偏差舵偏指令姿態(tài)角姿態(tài)陀螺姿態(tài)控制的一般結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制的一般結(jié)構(gòu)內(nèi)回路阻尼器內(nèi)回路阻尼器,外回路姿態(tài)角控制外回路姿態(tài)角控制6. 1 姿態(tài)角控制器結(jié)構(gòu)姿態(tài)角控制器結(jié)構(gòu)俯仰俯仰姿態(tài)控制器結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制器結(jié)構(gòu)俯仰阻尼器( )z zgs 1s( )g s( )r sczczz忽略陀螺快響應(yīng)忽略陀螺快響應(yīng)由結(jié)構(gòu)變換實(shí)現(xiàn)電傳形式由結(jié)構(gòu)變換實(shí)現(xiàn)電傳形式zzg 1sgczzzzk1/zzkr機(jī)人自動(dòng)駕駛儀控制器在前向通道控制器在前向通道,自動(dòng)駕駛儀構(gòu)成的閉環(huán)系

4、統(tǒng)自動(dòng)駕駛儀構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)與人機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致與人機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致.電傳操縱電傳操縱:控制器及信號(hào)綜合集成控制器及信號(hào)綜合集成,由計(jì)算機(jī)承擔(dān)由計(jì)算機(jī)承擔(dān).zc阻尼器回路為快回路阻尼器回路為快回路,體現(xiàn)力矩變化體現(xiàn)力矩變化;外回路相對(duì)較慢外回路相對(duì)較慢,力的變化力的變化.滾轉(zhuǎn)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制器結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制器結(jié)構(gòu)滾轉(zhuǎn)阻尼器( )x xgs 1s( )g s( )r scxcxx航向航向角控制結(jié)構(gòu)角控制結(jié)構(gòu)( )r s( )gsc滾轉(zhuǎn)阻尼器( )x xgs 1s( )g s( )r scxcxx滾轉(zhuǎn)角控制回路6-2 example:pithch-attitude-hold autopilotxaxb

5、uycxdu帶阻尼器的升降舵輸入俯仰角輸出的傳遞函數(shù)01.00.74qspk此時(shí)，對(duì)應(yīng)短周期阻尼比舵機(jī)時(shí)間常數(shù)0.1閉環(huán)后暫不看小的根,阻尼器反饋主要影響短周期和舵機(jī)根軌跡,短周期阻尼增加,但過大的反饋增益會(huì)引起本體模態(tài)與控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)模態(tài)的耦合自動(dòng)駕駛儀按比例反饋,系統(tǒng)響應(yīng)存在穩(wěn)態(tài)誤差1.410440.2cssssg加積分后,又帶來新的副作用:消弱了阻尼器的作用,為此,在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器中加了新的零,極點(diǎn). .(新的零極點(diǎn)的作用同學(xué)課下討論)其中-0.2零點(diǎn)的選擇是為了將該零點(diǎn)設(shè)置在兩個(gè)本體零點(diǎn)的中間,以實(shí)現(xiàn)根的合理走向.(同學(xué)課下討論)閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)還可以通過補(bǔ)償器消除零點(diǎn),消除超前引

6、起的振蕩控制器設(shè)計(jì)步驟總結(jié)控制器設(shè)計(jì)步驟總結(jié) 設(shè)計(jì)阻尼器滿足飛行品質(zhì)要求設(shè)計(jì)阻尼器滿足飛行品質(zhì)要求 設(shè)計(jì)理想自動(dòng)駕駛儀反饋增益設(shè)計(jì)理想自動(dòng)駕駛儀反饋增益,滿足動(dòng)態(tài)響滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng); 綜合設(shè)計(jì)補(bǔ)償器綜合設(shè)計(jì)補(bǔ)償器,滿足穩(wěn)態(tài)精度滿足穩(wěn)態(tài)精度,飛行品質(zhì)及飛行品質(zhì)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng).6.3 操縱系統(tǒng)與自動(dòng)駕駛儀控制方式 自動(dòng)駕駛儀的控制方式,取決于控制系統(tǒng)的技術(shù)(例如:機(jī)械式還是電傳),以及駕駛員和控制器的功能分配.所以有很多形式. 由于飛機(jī)的操縱系統(tǒng)是由常規(guī)手動(dòng)操縱演變而來的,而且駕駛員可以選擇自動(dòng)駕駛還是人工操作,所以與手動(dòng)操作一致. 因此,需要首先了解駕駛員操縱的幾種基本的操作方式.1.駕駛員與

7、自動(dòng)駕駛儀的關(guān)系駕駛員與自動(dòng)駕駛儀的關(guān)系早期早期(機(jī)械操縱機(jī)械操縱)的人機(jī)控制系統(tǒng)的特征的人機(jī)控制系統(tǒng)的特征 駕駛員操作系統(tǒng)飛機(jī)視覺信號(hào)運(yùn)動(dòng)任務(wù)響應(yīng)干擾飛行品質(zhì)要求的滿足主要依賴氣動(dòng)外形特性設(shè)計(jì)飛行品質(zhì)要求的滿足主要依賴氣動(dòng)外形特性設(shè)計(jì) 涉及涉及駕駛員特性駕駛員特性的操縱指標(biāo)是操縱力、的操縱指標(biāo)是操縱力、和操縱桿的位移特性，主要涉及駕駛員的靜態(tài)特性。和操縱桿的位移特性，主要涉及駕駛員的靜態(tài)特性。 電傳操縱的人機(jī)控制系統(tǒng)電傳操縱的人機(jī)控制系統(tǒng)駕駛員人感系統(tǒng)控制增穩(wěn)飛機(jī)本體視覺運(yùn)動(dòng)任務(wù)響應(yīng)干擾僅靠氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)難以滿足飛機(jī)的飛行品質(zhì)要求，僅靠氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)難以滿足飛機(jī)的飛行品質(zhì)要求，飛行品質(zhì)的滿足需要

8、靠控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。飛行品質(zhì)的滿足需要靠控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。飛機(jī)放寬靜穩(wěn)定性的控制增穩(wěn)設(shè)計(jì)和電傳操縱的采用，飛機(jī)放寬靜穩(wěn)定性的控制增穩(wěn)設(shè)計(jì)和電傳操縱的采用，是現(xiàn)代飛機(jī)人機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是現(xiàn)代飛機(jī)人機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 自動(dòng)化飛行的人機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)化飛行的人機(jī)控制系統(tǒng) 在自動(dòng)化飛行的人機(jī)系統(tǒng)中，駕駛員即要使用自動(dòng)化設(shè)備，在自動(dòng)化飛行的人機(jī)系統(tǒng)中，駕駛員即要使用自動(dòng)化設(shè)備，又要實(shí)施人工操作，具有多行為特征。包括駕駛員使用自動(dòng)化又要實(shí)施人工操作，具有多行為特征。包括駕駛員使用自動(dòng)化飛行系統(tǒng)的邏輯推理、判斷和決策以及人工操作行為。飛行系統(tǒng)的邏輯推理、判斷和決策以及人工操作行為。 飛 行 導(dǎo) 引系 統(tǒng)飛

9、行 控 制系 統(tǒng)飛 行 動(dòng) 力 學(xué)系 統(tǒng)測(cè) 量系 統(tǒng)飛 行 管 理系 統(tǒng)操 作 設(shè) 備操 縱 桿駕 駛 員狀 態(tài) 監(jiān) 控 顯 示導(dǎo) 引 顯 示人 機(jī) 界 面駕 駛 艙 資 源飛 機(jī) 系 統(tǒng)-任 務(wù)駕駛員干預(yù)與自動(dòng)器層次關(guān)系駕駛員干預(yù)與自動(dòng)器層次關(guān)系2. 三種基本控制方式 a) 阻尼器方式阻尼器方式:駕駛員飛機(jī)阻尼器伺服機(jī)構(gòu)cyyxu“粗箭頭粗箭頭”表示的表示的機(jī)械聯(lián)結(jié)方式機(jī)械聯(lián)結(jié)方式差動(dòng)搖臂迭加差動(dòng)搖臂迭加駕駛員和阻尼器駕駛員和阻尼器的輸出的輸出,駕駛員保持全時(shí)操縱權(quán). b) 自動(dòng)駕駛儀方式自動(dòng)駕駛儀方式駕駛員飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀驅(qū)動(dòng)裝置cyyu操作桿由控制器的伺服機(jī)構(gòu)操作操作桿由控制器的伺服機(jī)構(gòu)操

10、作,而駕駛員不控制駕駛桿而駕駛員不控制駕駛桿,駕駛員起監(jiān)控作用駕駛員起監(jiān)控作用駕駛員通過駕駛員通過駕駛桿的隨動(dòng)駕駛桿的隨動(dòng),了解自動(dòng)駕駛儀了解自動(dòng)駕駛儀的工作的工作c)電傳操縱方式駕駛員飛機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)裝置cyyu控制器在前向通道,駕駛員通過控制器操縱飛機(jī),駕駛桿與操縱面之間不再有機(jī)械式的聯(lián)系,而是電信號(hào)傳遞,所以稱為”電傳操縱”.此時(shí),駕駛桿為控制器預(yù)置指令信號(hào)*,(yczcyczcncn例如：過載角速度或組合過載和角速度）3. 操縱系統(tǒng)布局形式 不帶自動(dòng)器的操縱 阻尼器輔助的人工操縱 電傳操縱 自動(dòng)駕駛儀工作的操縱不帶自動(dòng)器-升降舵升降舵駕駛員克服舵面鉸鏈力矩,鉸鏈力矩與動(dòng)壓和重心位置有關(guān),

11、好處是為駕駛員直接感受飛機(jī)特性的反饋.通過調(diào)整片消除桿力,在上圖中由平尾產(chǎn)生.升降舵升降舵不帶自動(dòng)器-全動(dòng)平尾全動(dòng)平尾戰(zhàn)斗機(jī)常用,平尾實(shí)現(xiàn)操縱,配平電機(jī)和彈簧(千斤頂,screw jack)承擔(dān)穩(wěn)態(tài)操縱面載荷,并改變零桿力點(diǎn),使駕駛員圍繞零點(diǎn)操縱.不帶自動(dòng)器-帶助力器人感系統(tǒng)人感系統(tǒng)駕駛桿力用液壓助力器來減小,或完全替代,操縱面的感覺消失,用人感系統(tǒng)來為駕駛員提供力的感覺.(人感系統(tǒng)經(jīng)歷了機(jī)械,被動(dòng),主動(dòng))阻尼器輔助的人工操縱-并聯(lián)并聯(lián)形式:差動(dòng)搖臂迭加駕駛員和阻尼器的輸出,彈簧的作用:1)產(chǎn)生人工感力;2)避免阻尼器的輸出對(duì)駕駛桿的反作用.電傳操縱特點(diǎn):1)系統(tǒng)簡(jiǎn)單2)通過主操縱元件預(yù)置引導(dǎo)量3)控制功能集成化1)系統(tǒng)簡(jiǎn)單 阻尼器伺服機(jī)構(gòu),自動(dòng)駕駛儀伺服機(jī)構(gòu)和舵面的操縱機(jī)構(gòu)綜合為一個(gè)伺服操縱機(jī)構(gòu).去掉控制器伺服機(jī)構(gòu)間的機(jī)械信號(hào)混合機(jī)構(gòu),把這些功能匯總在計(jì)算機(jī)中.2)通過主操縱元件預(yù)置引導(dǎo)量 駕駛桿預(yù)置引導(dǎo)量,駕駛員和控制器都在前向通道,駕駛員通過控制器操縱飛機(jī).不再需要大的操縱力,用側(cè)桿來取代中央桿或駕駛盤.