飞机飞行控制课件 PPT

推力矢量
P
44
纵向传递函数1
GU e
(S)

U (S )
e (S )

(S
22
AU
(S

1 TU1
)(S

1 TU 2
)
sp sp
S

2 sp
)(S
22
p
pS

2 p
)
其中 sp 短周期阻尼比 sp 短周期频率 p 长周期阻尼比 p 长周期频率
短周期（short period）
C A
Im
B

1 2

Re

29
频率特性
传递函数G(S)中，S用j（对应于正弦振荡）代入，得
G( j ) Ae j ( )
这个公式表示系统输入（正余弦）谐波振荡时，系统反 应中的强迫振荡分量（时域）
纵向短周期近似传递函数：
G(S)
nz
e

kn2sp
S
2

2
sp nsp S
从事飞行器
设计、飞行 动力学工作 的基础之一。
需求分析，任务分解 飞行控制 武器系统
飞机综合评估
发动机……
14
内容
引论 飞行控制系统概述(自学) 飞机的闭环动态特性 人机闭环系统分析 各类飞行控制系统的分析
15
考核
课堂、作业：40% 考试（闭卷）：60%
16
背景知识
控制过程的描述
(S)
GHe (S )

H (S )
e (S )

[ (S) a (S)]U0 Se (S)

1 S
[G
e
(
S
)

Ga
e
(
S
)]U
0
46
俯仰角反馈
c
e
KeΒιβλιοθήκη Ge（ S）－
47
反馈系数符号的确定
c
e
K
e
Ge（ S）

－
G e
(S)

(S) e (S )
f>0
23
飞机的振荡模态
振荡模态 弹簧振子
短周期 长周期 荷兰滚
频率的决定因素 阻尼的决定因素
弹簧系数
阻尼系数
纵向静稳定导数
Ma
以Zu为主
航向静稳定性导数
Nb
纵向阻尼导数
Mq
以Xu为主
偏航阻尼导数等
Nr、Yb
24
闭环系统
单位负反馈（k=1）的传递函数
W (S) G(S) 1 G(S)
若 G(S) N(S)
递函数的分子多项式 N(S)，仅改变分母多项 式（特征方程）
从物理角度讲，反馈控
制改变了模态特性，而 对模态比没有影响。就 是说，加入反馈后飞机 各运动参数之间的幅值 比和相位差不变。
26
根轨迹法
Root Locus
在复平面内判断反馈系
数变化引起的闭环特征 10
根变化情况
若特征方程
5
Imag Axis
kn2sp
(S 1)(S 2 )
31
对数频率特性
n'z (t) e (t)G( j )
n'z (t) G( j) e (t)
G( j ) A( )e j ( )
频率特性曲线（Bode图）,
半对数坐标
对数幅频特性 对数相频特性
20log10A(dB)
飞行控制系统如何改变飞机的模态特性； 不同的反馈改变不同的模态特性；
飞机、飞控、驾驶员组合的动力学特性分析：
飞机＋控制系统特性的分析方法； 人机系统的特性分析；
选择飞行控制系统的控制律的基本原理：
常见控制系统类型及其分析、选择；
13
本课程的地位
以自动控制
原理、飞行 动力学为基 础的一门提 高课程； 飞机本体
(S)=D(S)+kN(S)=0
当k=0时，D(S)=0，对应 0 系统极点
当k=时，N(S)=0，对应
系统零点
-5
Matlab：rlocus，rltool
-10
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
Real Axis
0
0.2
27
根轨迹分析
每一对共轭复根表示一
个振荡模态
37
手绘Bode图的过程
将S以0代入G
Phase (deg)
Magnitude (dB)
Bode Diagram -10
-20
-30
-40
-50
-60
-70 0
-45
-90
10-1
100
101
102
103
Frequency (rad/sec)
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控制系统组成
飞机本体 驾驶员 传感器 舵回路 控制系统
机械 模拟式电传 数字式电传 光传
陀螺
三自由度陀螺(角度) 二自由度陀螺(角速度)
加速度计(测量过载) 空速管
气流角度(迎角、侧滑角) 速度、M数
高度传感器
气压 无线电
大气计算机
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作业
自学第一章：§1－3 ～ §1－6 内容 有条件的可以练习使用Matlab绘制简单的

(S
22
A
(S

1 T 1
)(S

1 T 2
)
sp sp
S

2 sp
飞机飞行控制
绪论
飞行控制的历史
1891年，海诺姆.
马克西姆设计并制 造的飞机已经装有 用于改善纵向稳定 性的控制系统。
早期的飞机基本上
没有固有稳定性， 靠飞行员的能力来 保证飞机的稳定。
3
飞行控制的历史
后来设计的飞机
一般具有一定的 固有稳定性，但 没有保证。
1920年以后，飞
机的稳定性靠外 形布局及重心定 位来保证。
D(S)
则
X(S)
Y(S) G(S)
_
k
W (S) N(S) D(S) N(S)
对于反馈系数为k的负反馈
W (S)
N (S )
D(S) k N(S)
25
反馈控制的特点
G(S) N(S) D(S)
W (S)
N (S )
D(S) k N(S)
采用反馈控制不改变传
1 2
33
对数频率特性曲线的优点
可叠加。线性系统可以分解为一阶、二阶环节和微分、
积分、比例等环节的组合 Gi(S) (1 TS )1, ( 2 2 S S 2 )1, S 1, K 因此，可以作出典型环节的曲线，再进行叠加
频带宽。通常飞机与飞控系统组合后的频带很宽，用

2 nsp

kn2sp (S 1)(S 2 )
若输入为正弦波：
e (t) e0e jt
30
频率特性
拉氏变换后得：
e (S)

e 0
S
1
j
于是：
nz (S)

kn2sp e0
(S

j )( S
1
1)(S
2 )
海维赛展开：
nz (t)
根轨迹和Bode图
不要求上交
40
飞机闭环动态特性
——纵向反馈控制及其闭环特性
飞机纵向常见问题
战斗机高空飞行时阻尼不足 高速飞行静稳定性高或低速不足 战斗机放宽静稳定性后纵向静稳定性不
足，甚至短周期发散
长周期发散
更关心短周期模态
42
纵向反馈控制
指令
误差 －
控制系统
舵偏角
飞机本体
运动参数
19
弹簧振子系统
Fy F k y f y m y y f y k y F( y)
mm m
y
f
k
m
F
(S2 f S k )Y(S) F(S)
mm
m
零初值拉氏变换
Y (S)
1
1
G(S)

F(S) S2
f
S k
S2 2S 2
7
典型助力器及力臂调节器
8
第三代战斗机
布局：翼身融合、边条 放宽静稳定性
武器：近距、超视距空 空导弹
作战方式：格斗、超视 距空战
模拟式和数字式电传控 制系统（FBW，fly by wire）。按其作用可以 分为两种：
控制增稳系统 自动驾驶仪
9
典型电传飞控系统
10
第四代战斗机
布局：隐身气动一体化设计 武器：先进格斗导弹、超远程空 空导弹、精确制导 火飞推一体化、主动控制技 术……
G sin
a>0
阻尼
M Iy
, (Maa )
q
Mq
频率
短周期
22
Lbb<0
b>0
荷兰滚 频率
Nbb>0
Ybb<0
荷兰滚阻尼
p < 0 p<0
滚转 收敛
Lpp>0
r > 0 r>0
荷兰滚阻尼
Nrr<0
荷兰滚模态
b<0
f<0 Npp>0
y>0
Lrr>0 p>0