自动飞行控制系统概述课件.ppt

1、自动飞行控制系统第一章第一章 飞行力学基础飞行力学基础第二章第二章 飞行器运动方程飞行器运动方程第四章第四章 舵机与舵回路舵机与舵回路第五章第五章 典型飞行控制系统分析典型飞行控制系统分析第六章第六章 典型飞行控制系统实例典型飞行控制系统实例第七章第七章 现代飞行技术现代飞行技术飞行控制系统飞行控制系统绪论第一节第一节 飞行控制系统的发展回顾飞行控制系统的发展回顾第二节第二节 飞行控制系统的基本任务飞行控制系统的基本任务第三节第三节 飞行控制系统的基本组成和功能飞行控制系统的基本组成和功能 第一节 飞行控制系统的发展回顾v1919世纪末尝试过用伺服驱动和自动反馈保证飞机的纵向稳定世纪末尝试过用

2、伺服驱动和自动反馈保证飞机的纵向稳定性。性。v当时人们的空气动力学和飞行力学知识十分浅薄，自动控制当时人们的空气动力学和飞行力学知识十分浅薄，自动控制理论也处在萌芽时期理论也处在萌芽时期 实现飞行器自动控制的设想未实现飞行器自动控制的设想未付诸实现。付诸实现。1903年12月17日莱特兄弟驾驶自行研制的固定翼飞机飞行者一号实现了人类史上首次重于空气的航空器持续而且受控的动力飞行 第一节 飞行控制系统的发展回顾v19121912年美国年美国 爱莫尔爱莫尔 斯派雷（斯派雷（EimerEimer Sperry Sperry）研制成功第）研制成功第一台一台电动陀螺稳定装置电动陀螺稳定装置 保持飞机稳定

3、平飞。保持飞机稳定平飞。能够稳定飞机姿态运动的自动控制装置（自动驾驶仪能够稳定飞机姿态运动的自动控制装置（自动驾驶仪autopilotautopilot）得以迅速发展。）得以迅速发展。Courtesy the Hagley Museum&LibraryElmer Sperry and his Gyro-Compass 第一节 飞行控制系统的发展回顾v第二次世界大战期间，美国和原苏联相继研制出功能较完善第二次世界大战期间，美国和原苏联相继研制出功能较完善的的电气式自动驾驶仪电气式自动驾驶仪；二次世界大战后起，德国研制成功飞；二次世界大战后起，德国研制成功飞航式导弹和弹道式导弹，航式导弹和弹道式导

4、弹，更加促进了飞行自动控制装更加促进了飞行自动控制装置的研制和发展。置的研制和发展。导弹按空中的飞行轨迹可分为两大类，即飞航式导弹和弹道导弹（也称有翼导弹和无翼导弹）。飞航式导弹在大气层中飞行，弹体附有弹翼、尾翼和舵面。而弹道导弹的飞行轨迹主要在大气层以外，无弹翼。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

5、gyroscopes(a horizontal and a vertical)for lateral stabilization,and a PIGA accelerometer to control engine cutoff at a specified velocity 第一节 飞行控制系统的发展回顾v第二次世界大战后，将自动驾驶仪和其它机载装置第二次世界大战后，将自动驾驶仪和其它机载装置组合构成飞机的航迹自动控制，如：组合构成飞机的航迹自动控制，如：定高和自动下定高和自动下滑导引系统滑导引系统。v成功突破音障以后，飞机的飞行包线（飞行速度和成功突破音障以后，飞机的飞行包线（飞行速度和高

6、度的变化范围）逐渐扩大，越来越复杂的飞行任高度的变化范围）逐渐扩大，越来越复杂的飞行任务对飞机性能要求也越来越高，仅靠气动布局和发务对飞机性能要求也越来越高，仅靠气动布局和发动机设计所获得的飞机性能已经很难满足复杂飞行动机设计所获得的飞机性能已经很难满足复杂飞行任务的要求。因此借助于自动控制技术来改善飞机任务的要求。因此借助于自动控制技术来改善飞机稳定性的稳定性的飞行自动控制装置（如增稳系统）飞行自动控制装置（如增稳系统）相继问相继问世，世，自动驾驶仪的功能进一步的扩展，自动驾驶仪的功能进一步的扩展，飞行自动控制系统（飞行自动控制系统（automatic flight control auto

7、matic flight control system-AFCSsystem-AFCS）。）。长周期起伏振荡第一节 飞行控制系统的发展回顾v2020世纪世纪6060年代产生了随控布局飞行器年代产生了随控布局飞行器 使配平的迎角使配平的迎角减小，减小，从而减小阻力，提高升阻比，并可以减小平尾从而减小阻力，提高升阻比，并可以减小平尾尺寸和质量。尺寸和质量。v随着计算机技术的发展，计算机已经成为飞行控制系统的核随着计算机技术的发展，计算机已经成为飞行控制系统的核心装置。心装置。飞行控制系统的功能和内涵也在不断地扩展，飞行控制系统的功能和内涵也在不断地扩展，成为飞行器设计中不可缺少的至关重要的技术。成

8、为飞行器设计中不可缺少的至关重要的技术。第二节 飞行控制系统的基本任务v改善飞行品质改善飞行品质改善固有运动特性改善操纵特性改善扰动特性改善大扰动的控制问题v协助航迹控制协助航迹控制v全自动航迹控制全自动航迹控制v监控和任务规划监控和任务规划第三节 飞行控制系统的基本组成和功能v自动驾驶方式自动驾驶方式的特点：的特点：驾驶员在控制回路之外，只是监视着仪器仪表的信息，并不操纵驾驶杆。控制机构（如：气动舵面和发动机油门等）的动作完全由随动系统按照自动装置的信号来驱动完成。第三节 飞行控制系统的基本组成和功能v半自动驾驶方式半自动驾驶方式的特点：的特点：随动系统的任务由驾驶员来完成的;驾驶员监视仪表

9、并操纵驾驶杆来修正由半自动装置形成失配信号。v人工驾驶方式人工驾驶方式的特点：的特点：驾驶员亲自对周围的飞行环境观察从领航员、调度员和指示仪表中获得飞行信息，要独立地决策并操纵驾驶杆来完成控制动作。在飞行过程中，驾驶员要全神关注地观察着各种飞行指示仪表，然后经过大脑思维做出决断，并通过手脚来适时准确地操纵飞机。二、自动飞行的基本原理二、自动飞行的基本原理 “反馈反馈”自动飞行自动飞行 是用一套控制系统在无人直接参与无人直接参与的条件下自动地控制飞行器（主要指飞机和导弹）的飞行。其控制系统称为飞行自动控制系统。飞行自动控制系统。1 1、驾驶员是如何控制飞机的呢、驾驶员是如何控制飞机的呢？（以要求

10、飞机作水平直线飞行为例）陀螺地平仪大脑神经眼睛飞机驾驶杆胳膊手脚操纵舵面图0-1 人工驾驶飞机的过程驾驶员基准图 0-2 飞行控制系统自动控制过程自动飞行的原理自动飞行的原理：当飞机偏离原态时，敏感元件感受偏离的方向和大小并输出相应的信号，经放大计算处理，操纵机构（称为舵机），使舵面相应偏转。由于整个系统是按负反馈的原理连接的，其结果是使飞机趋于原态。当飞机回到原态时，敏感元件输出信号为零，舵机以及与舵机机械相连的舵面也回到原位，飞机重按原来姿态飞行。敏感元件敏感元件+放大计算计算装置放大计算计算装置+执行机构执行机构=自动驾驶仪自动驾驶仪敏感元件放大计算装置执行机构升降舵飞 机自动驾驶仪预置

11、指令基本的飞行控制系统包括基本的飞行控制系统包括:v阻尼器（阻尼器（DamperDamper）；）；v增稳系统（增稳系统（Stability augmentation system-Stability augmentation system-SASSAS）；）；v控制增稳系统控制增稳系统(Control augmentation system-(Control augmentation system-CAS)CAS)；v自动驾驶仪自动驾驶仪(Autopilot)(Autopilot)。俯仰阻尼器与驾驶员在操纵飞机过程中的控制分工v俯仰阻尼器俯仰阻尼器仅仅通过反馈俯仰角速度来改善飞机的阻尼特性，

12、仅仅通过反馈俯仰角速度来改善飞机的阻尼特性，而对姿态和航迹的控制任务还仍然由驾驶员来完成。而对姿态和航迹的控制任务还仍然由驾驶员来完成。操纵系统飞机伺服电机阻尼器传感器驾驶员eq,g图0-4 阻尼器与驾驶员之间的关系最基本的自动驾驶仪方案缺点：缺点：v进行航迹控制仍然是间接的并且很麻烦，只能解除驾驶员短进行航迹控制仍然是间接的并且很麻烦，只能解除驾驶员短时间内的工作负担。时间内的工作负担。v仍然不能稳定飞行航迹。仍然不能稳定飞行航迹。操纵系统飞机阻尼器 伺服机构阻尼器自动驾驶仪伺服机构驾驶员eqg图0-5 阻尼器和自动驾驶仪与驾驶员之间的关系姿态控制器（A/P）高度稳定系统缺点：缺点：v仅是基

13、准高度发生小偏离情况而设计的；仅是基准高度发生小偏离情况而设计的；v不能实现弯曲航迹的自动控制。不能实现弯曲航迹的自动控制。高度 控制器飞机阻尼器 伺服机构阻尼器自动驾驶仪伺服机构eqg图0-6 高度稳定系统结构图姿态 控制器h-hc典型飞行控制系统的结构图飞行管理计算机飞行导引计算机飞行控制计算机操纵系统发动机飞行 动力学监控 显示器导引显示直接传输操作设备侧杆驾驶员通信飞行安全地面计算机测量系统图0-7 典型飞行控制系统结构图项目v通过项目能加深对课程理解v有助于找工作v项目（有视频）单轴螺旋桨悬浮系统（单轴螺旋桨悬浮系统（1-3人，人，需要钱需要钱）基于基于FlightGear和和Simulink的飞控与飞管实验教的飞控与飞管实验教学平台（学平台（1-3人）人）体感遥控直升机（体感遥控直升机（1-3人，人，需要钱需要钱）