飛行控制系統(tǒng)課件：FMCS概述

CAUC-AMAECFlightManagementandAuto-Flight1

飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)FMCS概述23飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述FMS的組成及各部分功用各分系統(tǒng)之間的信號交聯(lián)關(guān)系飛行管理計(jì)算機(jī)（FMC）系統(tǒng)FMC導(dǎo)航計(jì)算的基本原理FMC的數(shù)據(jù)庫控制顯示組件(CDU)4第一節(jié)概述

對飛機(jī)飛行過程的綜合管理與控制一直是航空界的一個重要研究課題。六十年代以來，相繼出現(xiàn)了電傳操縱系統(tǒng)，主動控制、多模態(tài)飛行控制及余度管理等技術(shù)。進(jìn)入八十年代，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使飛行控制和航空電子技術(shù)在以下幾方面進(jìn)展迅速：綜合化數(shù)字化智能化5飛行管理

“飛行管理”這一名詞實(shí)際上并不是一個新的概念，只不過在過去的飛機(jī)上，都由駕駛員來承擔(dān)而已。在過去的幾十年來，為了適應(yīng)飛機(jī)的尺寸、速度、高度和復(fù)雜性的日益增加，以便駕駛員能對飛機(jī)實(shí)行更好的管理，在飛機(jī)上：增加了許多各種各樣的儀表顯示，以擴(kuò)大駕駛員的視野；附加了操縱助力器以擴(kuò)大駕駛員的有限體力；安裝了自動駕駛儀以減輕駕駛員在途中的操作負(fù)擔(dān)。隨著飛機(jī)的發(fā)展，飛機(jī)上不斷增設(shè)新的系統(tǒng)或設(shè)備，以擴(kuò)大駕駛員的管理能力，確保駕駛員能對飛機(jī)實(shí)現(xiàn)期望的飛行管理—人工的飛行管理。6飛行管理系統(tǒng)的演變過程六十年代末和七十年代初-日趨成熟的高級區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)七十年代中期—性能設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（PDCS）性能管理系統(tǒng)（PMS）七十年代中期—飛行管理系統(tǒng)（FMS）飛行管理系統(tǒng)是高級區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)和性能管理系統(tǒng)的組合。它具有大容量的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫，在飛機(jī)正常飛行區(qū)域內(nèi)，計(jì)算機(jī)能提供從起飛到降落的閉環(huán)水平制導(dǎo)的功能；同樣它具有大容量的性能數(shù)據(jù)庫，能根據(jù)待飛航線、巡航高度、飛機(jī)總重、成本指數(shù)和阻力系數(shù)等提供節(jié)約燃油、降低直接運(yùn)行成本的垂直制導(dǎo)能力。飛行管理系統(tǒng)能對飛機(jī)進(jìn)行綜合管理，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自動飛行與最佳性能管理，大大減輕了駕駛員的操作負(fù)擔(dān)，并且獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。7飛行管理系統(tǒng)的使用情況

飛行管理系統(tǒng)首次安裝在1981年12月試飛的波音767型飛機(jī)上。后來，在1982年2月試飛的波音757型飛機(jī)以及其后的其它各型現(xiàn)代飛機(jī)上，也都安裝了飛行管理系統(tǒng)。如：美國的SPERRY公司的波音747—400、DC—10、A310、A320、A340、L—1011、B747、波音777和波音737—300、500、700等；英國的SMITHS公司(2007年被GE收購)的A300—600、A310等；前蘇聯(lián)的TU—204。8第二節(jié)FMCS在個飛行階段的性能功能

9飛行階段的性能功能

-起飛

飛行員通過FMCS的CDU輸入飛機(jī)全重和外界溫度，F(xiàn)MC進(jìn)行計(jì)算，為飛機(jī)提供最佳起飛目標(biāo)推力。這個起飛目標(biāo)推力使飛機(jī)在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到起飛速度，不會損傷飛機(jī)發(fā)動機(jī)。爬高根據(jù)飛行員的選擇和FMC確定的目標(biāo)推力和目標(biāo)速度，F(xiàn)MS提供最佳爬高剖面，（在規(guī)定的爬高速度和規(guī)定的發(fā)動機(jī)推力下，以最佳爬高角度到達(dá)規(guī)定的高度）。FMC還根據(jù)情況向飛行員提供分段（階梯）爬高和爬高頂點(diǎn)高度的建議，供飛行員選用。這些建議一旦實(shí)施可使飛行進(jìn)一步節(jié)省燃油。10巡航

FMS根據(jù)航線長短、航路情況等選定最佳巡航高度和最佳巡航速度。在飛行的兩機(jī)場之間采用大圓弧路徑，結(jié)合無線電甚高頻導(dǎo)航獲得最優(yōu)巡航飛行。采用大圓弧路徑使兩點(diǎn)之間的飛行距離最短。下降進(jìn)近FMS在下降結(jié)束點(diǎn)，在既定高度、確定航距上，以優(yōu)化速度引導(dǎo)飛機(jī)到跑道上的著陸點(diǎn)。

FMS根據(jù)飛行員輸入或儲存的導(dǎo)航數(shù)據(jù)確定飛機(jī)開始下降的頂點(diǎn)。飛機(jī)在下降階段時，由FMS確定下降速度，最大限度地利用飛機(jī)的位能，節(jié)省燃油消耗。11FMS組成及各部分的功用

飛行管理系統(tǒng)（FMS）由五個子系統(tǒng)組成，他們是：飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（FMCS）慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)（IRS）；電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）；數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)（DFCS）；自動油門（A/T）。12FMS組成及各部分的功用

FMCS-包括FMC和CDU，各機(jī)型FMC和CDU數(shù)不一樣。IRS-是FMC基本傳感器，向FMC提供2/3臺IRU輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，F(xiàn)MC進(jìn)行加權(quán)平均，主要參數(shù)有PPOS、GS、TRK、WIND等。EFIS-是FMC的顯示器：FMC計(jì)算導(dǎo)航和性能目標(biāo)值及其它一些在EFIS上顯示的供飛行員使用的信息；AFCS-A/T：是FMC的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。FMC的導(dǎo)航和性能功能與數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)及自動油門相耦合提供飛機(jī)的全自動控制。這稱為飛行管理計(jì)算機(jī)的制導(dǎo)功能。13第三節(jié)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的傳感器

FMS為完成上述各功能，需要有各種參數(shù)傳感器，通過許多綜合運(yùn)算，得出結(jié)論，輸出指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。任何一個自動控制系統(tǒng)要有許多傳感器來傳遞外部各種信號，就像人要有眼、耳、鼻、舌、身來感受外部世界，需要看、聽、嗅、嘗、觸到各種事物才能正常生活。FMS中有IRS作為整個系統(tǒng)的傳感器，IRS向FMS、FCC、A／T計(jì)算機(jī)輸送飛機(jī)位置、飛機(jī)姿態(tài)、速度等數(shù)據(jù)，F(xiàn)MC利用這些數(shù)據(jù)確定水平和垂直的飛機(jī)位置。對FMS的各分系統(tǒng)來說，F(xiàn)MC、IRS、FCC、A／T計(jì)算機(jī)等本身又有許多傳感器。在此我們專門敘述與FMCS有關(guān)的傳感設(shè)備。它們是IRS、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)（ADC）、全向信標(biāo)接收機(jī)（VOR）、測距機(jī)（DME）、儀表著陸接收機(jī)（ILS）、燃油總和器和航空時鐘等，

14第三節(jié)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的傳感器

燃油油量總和器燃油油量總和器組件把各燃油油箱油量表的油量相加起來，得到飛機(jī)總?cè)加土?，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAA）轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字式信號輸向向FMC。FMS需要用這個飛機(jī)總的燃油量信號預(yù)報(bào)到達(dá)各航路點(diǎn)和目的地機(jī)場的剩余燃油量。FMC經(jīng)過計(jì)算，減去燃油儲備值后，若現(xiàn)有燃油不夠飛到目的地機(jī)場時，F(xiàn)MS會向飛行員發(fā)出警告信號。時鐘機(jī)長時鐘為FMC提供格林威治時間（GMT）輸出。FMC用這個時間來預(yù)報(bào)到達(dá)各航路點(diǎn)和目的地機(jī)場的時間。其它傳感器飛機(jī)發(fā)動機(jī)防冰、機(jī)翼防冰和發(fā)動機(jī)引氣系統(tǒng)內(nèi)的一些傳感元件也向FMC輸送這些系統(tǒng)工作情況的離散信號。飛機(jī)空氣系統(tǒng)從發(fā)動機(jī)壓縮器后引出增壓的熱空氣供給客艙空調(diào)、機(jī)翼防冰、發(fā)動機(jī)防冰等系統(tǒng)的用氣。發(fā)動機(jī)被引氣以后，其推力要下降。FMC使用這些系統(tǒng)工作情況的離散信號對發(fā)動機(jī)目標(biāo)推力、發(fā)動機(jī)推力限制或N1轉(zhuǎn)速的限制等數(shù)據(jù)進(jìn)行修正計(jì)算。15第四節(jié)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的執(zhí)行部件

FMC接收到來自各傳感器部件的信號后，經(jīng)過各控制部件的控制進(jìn)行各種形式的分析運(yùn)算得出精確的結(jié)果，在由控制信號去操縱機(jī)構(gòu)執(zhí)行FMC的各種指令，或輸?shù)礁鞣N指示儀表、顯示屏幕、通告牌等指示各種數(shù)據(jù)，顯示各種數(shù)值、信息，見圖1-5所示。我們把這些系統(tǒng)或機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為執(zhí)行部件。我們先敘述由FMC輸出指令去操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作的情況，然后再介紹顯示設(shè)備。一．執(zhí)行機(jī)構(gòu)1．?dāng)?shù)字式飛行控制系統(tǒng)（DFCS）FMC向DFCS飛行控制計(jì)算機(jī)（FCC）輸出各種操縱指令，有目標(biāo)空速、馬赫數(shù)、目標(biāo)高度、目標(biāo)垂直速度和橫滾指令等，若DFCS在VNAV方式，目標(biāo)空速游標(biāo)顯示的是從FMC來的目標(biāo)空速。FCC根據(jù)這些輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合運(yùn)算，產(chǎn)生飛機(jī)爬高、下降、傾斜轉(zhuǎn)彎等操縱指令，駕駛飛機(jī)按要求的航向和高度層飛行。2．自動油門系統(tǒng)（A／T）FMC向A／T計(jì)算機(jī)輸送飛機(jī)爬高、巡航和復(fù)飛的發(fā)動機(jī)推力或N1轉(zhuǎn)速限制值、飛機(jī)全重、FMC要求高度和假設(shè)溫度等信號。A／T計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生油門位置指令，把油門桿置于正確位置以產(chǎn)生要求的飛機(jī)推力。3．慣性基準(zhǔn)裝置（IRU）16第四節(jié)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的執(zhí)行部件

二．顯示裝置1·控制顯示組件（CDU）2．電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）提供導(dǎo)航，制導(dǎo)和導(dǎo)航背景數(shù)據(jù)給EF1S字符發(fā)生器，用于在EADI和EHSI上顯示。FMC輸出有關(guān)飛行計(jì)劃的飛行航路、飛機(jī)航向、航路點(diǎn)、導(dǎo)航臺、機(jī)場、跑道、風(fēng)值等信息以地圖顯示的形式出現(xiàn)在EFIS的電子姿態(tài)指引儀（EADI）和電子水平狀態(tài)指示器（EHSI）的顯示屏幕上。飛行員可非常直觀地通過該顯示器了解整個飛機(jī)的詳細(xì)動態(tài)情況。對于EADI來說，它主要是IRS的顯示器，只顯示來自FMC的地速和飛機(jī)在各飛行階段的飛行方式；EHSI顯示許多來自FMC的信息。它顯示FMC信號的方式有兩種。一種是“計(jì)劃（PLAN）”方式；另一種是“地圖（MAP）”方式。兩種方式都可以顯示飛行航線、航路點(diǎn)、導(dǎo)航臺等飛行信息，通過控制板上的“距離”選擇電門來決定顯示的范圍。在這兩種方式下，F(xiàn)MC能對無線電導(dǎo)航VOR／DME實(shí)現(xiàn)自動調(diào)諧。在“地圖”方式時，F(xiàn)MC還可向EHSI傳輸附加數(shù)據(jù)，根據(jù)飛行員的要求，在導(dǎo)航圖上顯示附加導(dǎo)航點(diǎn)、預(yù)計(jì)到達(dá)時間等額外信息。3·馬赫／空速表（MASI）馬赫／空速表是ADC的顯示儀表，它在上面顯示飛機(jī)的空速，用指針指示飛機(jī)的每小時的海里數(shù)，同時也在表盤上用數(shù)字顯示。有的馬赫／空速表上的目標(biāo)空速游標(biāo)旋鈕只有在壓進(jìn)位置，且FMS正工作在VNAV方式時，馬赫／空速表上的目標(biāo)空速游標(biāo)才顯示FMC的計(jì)算目標(biāo)空速。17第四節(jié)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的執(zhí)行部件

二．顯示裝置4．發(fā)動機(jī)N1轉(zhuǎn)速表FMC通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）在N1轉(zhuǎn)速表上顯示計(jì)算的N1目標(biāo)轉(zhuǎn)速。需要顯示該數(shù)值時，N1轉(zhuǎn)速表上的目標(biāo)N1選擇鈕必須按下。5．自動飛行狀態(tài)警告牌（ASA）ASA給每個飛行員提供自動油門、自動駕駛和飛行管理系統(tǒng)狀態(tài)變化指示，自動飛行狀態(tài)通告牌安裝在每個飛行員容易看到的地方，機(jī)長的ASA位于P1板的右上角，副駕駛的ASA位于P3板的左上角。ASA由三個具有按壓重置功能的警告燈和一個測試開關(guān)組成。FMC向ASA提供離散信號，當(dāng)在FMCCDU上有警戒信息存在或FMC故障時，琥珀色警告燈亮；當(dāng)測試開關(guān)置1、2位時，它也亮。6．失速警告計(jì)算機(jī)（SWC）FMC給失速警告計(jì)算機(jī)（SWC）提供飛機(jī)的總重?cái)?shù)據(jù)。18第四節(jié)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的執(zhí)行部件

二．顯示裝置7．發(fā)動機(jī)顯示與機(jī)組警告系統(tǒng)（EICAS）有些飛機(jī)上裝有發(fā)動機(jī)指示與機(jī)組警告系統(tǒng)（EICAS），它不但替代了許多指針式儀表，且還可以顯示大量的信息。FMCS在EICAS上顯示兩個數(shù)值和各種文字信息。當(dāng)垂直導(dǎo)航（VNAV）已銜接，F(xiàn)MC計(jì)算的發(fā)動機(jī)目標(biāo)推力以紅色數(shù)字在EICAS的顯示屏幕發(fā)動機(jī)壓力比（EPR）上顯示。飛行員在FMCS的CDU起飛基準(zhǔn)頁面上輸入了外界假設(shè)溫度后，該溫度數(shù)值也在EICAS的顯示屏幕上顯示。FMS根據(jù)飛機(jī)各系統(tǒng)的狀態(tài)所產(chǎn)生的各種信息，有些會在EICAS的顯示屏幕上顯示。FMC一旦出現(xiàn)故障也會在EICAS的屏幕上出現(xiàn)文字警告信息。在有的飛機(jī)上沒有裝有EICAS，而裝有發(fā)動機(jī)主顯示器（EPD），發(fā)動機(jī)主參數(shù)顯示儀位于中央儀表板上。主發(fā)動機(jī)參數(shù)顯示器（EPD）顯示與FMC有關(guān)的有兩個功能：（1）N1指示人工設(shè)定旋鈕用來選擇N1限制數(shù)據(jù)源，當(dāng)旋鈕拉出來時，Nl限制游標(biāo)（N1LIMITCURSOR）和人工限制N1數(shù)字顯示都可以通過轉(zhuǎn)動旋鈕來設(shè)定，若游標(biāo)按進(jìn)去，則由FMC來驅(qū)動游標(biāo)，N1限制數(shù)字不顯示。人工N1限制顯示窗口顯示人工設(shè)置N1限制數(shù)字讀數(shù)，使用FMCN１限制值時，顯示空白。N1限制指針指示由FMC或人工設(shè)定旋鈕所提供的限制N1值。若PED內(nèi)部故障，則N1顯示空白，若FMC輸入數(shù)據(jù)有誤，則N1限制游標(biāo)凍結(jié)不動。（2）推力方式通告牌（TMA）FMC給發(fā)動機(jī)主參數(shù)顯示器（EPD）上的推力方式警告牌（TMA）提供當(dāng)時發(fā)動機(jī)所執(zhí)行推力限制或發(fā)動機(jī)Nl限制方式，如起飛、復(fù)飛、爬高、降低推力或降低N1限制等。TMA顯示實(shí)施的FMC推力限制，若FMC或EPD故障，TMA空白。若FMC送出無計(jì)算數(shù)據(jù)則顯示短劃線。19第五節(jié)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制組件

FMS的各傳感器好像是感覺器官，F(xiàn)MS通過它們了解外部世界的情況。FMS眾多的執(zhí)行顯示組件用來執(zhí)行FMC的指令，它們就像人的運(yùn)動器官，執(zhí)行大腦的指令。FMS同樣需要控制裝置指揮系統(tǒng)進(jìn)行什么工作方式，接收什么信號，進(jìn)行什么運(yùn)算，檢索什么數(shù)據(jù)，顯示什么信號、信息等，這些要求操作者通過FMS的控制裝置進(jìn)行操縱。FMS的操縱控制主要在系統(tǒng)主要部件—CDU上進(jìn)行，此外，駕駛艙內(nèi)許多其它控制板上也有FMS的控制元件。一.控制顯示組件（CDU）／備用導(dǎo)航控制顯示組件（ANCDU）二．?dāng)?shù)字式飛行控制系統(tǒng)（DFCS）方式控制板（MCP）三．無線電導(dǎo)航VOR控制板VOR控制板上有一個自動人工調(diào)諧選擇電門，可控制無線電導(dǎo)航接收機(jī)由FMC自動調(diào)諧，還是由飛行員人工調(diào)諧?？刂瓢迳系念l率顯示窗口顯示所調(diào)定的頻率。20第五節(jié)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制組件

四．電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）控制板裝有EFIS的飛機(jī)上，F(xiàn)MCS通過EFIS控制板屏幕顯示導(dǎo)航圖。EFIS控制板上有三個電門可由飛行員操縱。距離選擇電門選擇發(fā)送多大范圍的數(shù)據(jù)，以用于在EFIS的水平狀態(tài)指示器（EHS