典型飞行控制系统
第五章典型飞行控制系统工作原理-纵向姿态控制
G等 (S)
L M e (S Z ) S 2 C1d S C2d
❖ 根轨迹如右图所示：
内回路 L ，使短周期
一对复根左移且虚部减小，最
s1
终进入实轴，振荡减小，
阻尼加大。内回路的动态
过程由振荡运动转为按指
z
数规律衰减的单调运动，
s2
L 越大，阻尼作用越强。
j
全系统情况：
图 L 过大时，修正 的过渡过程
要想减弱这一振荡过程，应在控制律中引入 俯仰角速率q，对飞机运动起阻尼作用，也就是 引入微分信号。
（4）一阶微分信号在比例式控制中的作用
t1•
t •
2
t
e
e1 L
e2 L
t
e L L
由图可见，微分作用的物理本质为：
❖
为t1零时，刻当t
在减小但值为正，此时舵e 已
1、比例式自动驾驶仪修正初始俯仰角偏差
（1）稳定过程 0 0 驾驶仪控制律为：
g 0
e L L ( g )
讨论俯仰角稳定过程，认为
e L L
修正 0 的过程：0 0
比例式控制如何减小静差：
❖ 由前面计算可知：
g
Mf Q0Sb Cme
L
❖ ❖
所 要 只以 减 有：小使这b个静， g差就存，可在应使静加静差大差。减L小。Lb2
，所以
❖ 极端情况： b 0（切断硬反馈）就可完全
消除常值干扰下的静差。
2、积分式自动驾驶仪
在舵回路中采用速度反馈或称为软反馈形式的 信号，组成了积分式自动驾驶仪。
1
T s 1
s 2 c1d s c2d
s
内 s
飞行器飞行控制系统的设计与实现
飞行器飞行控制系统的设计与实现飞行控制系统是飞行器中至关重要的部分，它负责控制和管理飞行器的飞行状态，确保飞行器稳定、安全地完成任务。
本文将介绍飞行器飞行控制系统的设计与实现，以及相关技术和方法。
一、飞行控制系统的设计原理飞行控制系统的设计原理主要包括三个方面：飞行器动力系统、传感器系统和执行器系统。
1. 飞行器动力系统：飞行控制系统需要根据飞行任务的要求，确定飞行器的动力系统。
通常，飞行器动力系统包括引擎、发动机或电力系统。
设计者需要根据飞行器的尺寸、负载和性能等因素，选择适合的动力系统。
2. 传感器系统：飞行器飞行控制系统需要通过传感器获取飞行器的状态信息，如姿态、位置、速度等。
传感器系统通常包括加速度计、陀螺仪、磁力计等传感器，用于测量和检测飞行器的姿态和运动状态。
3. 执行器系统：飞行控制系统需要根据传感器获取的信息，通过执行器控制并调整飞行器的姿态和航向等参数。
执行器系统通常包括舵面、扰流板、发动机喷口等执行器，用于改变飞行器的飞行姿态和轨迹。
二、飞行控制系统的实现方法1. PID控制方法：PID控制方法是一种经典的控制方法，通过调整比例、积分和微分三个参数，实现对飞行器的控制和稳定。
该方法广泛应用于飞行器的姿态控制和导航系统中。
2. 预测控制方法：预测控制方法是一种基于飞行器的模型和状态信息，预测未来状态并进行控制的方法。
该方法适用于对飞行器的轨迹和航线进行规划和控制。
3. 自适应控制方法：自适应控制方法是一种通过不断调整控制器参数，使其适应不同工况和环境的控制方法。
该方法能够提高飞行器的鲁棒性和适应性。
4. 模糊控制方法：模糊控制方法是一种基于模糊推理的控制方法，通过模糊化输入量、设定模糊规则和进行模糊推理，实现对飞行器的控制和稳定。
三、飞行控制系统的设计案例以一架四轴飞行器为例，介绍其飞行控制系统的设计与实现。
1. 动力系统：选择电动发动机和锂电池作为飞行器的动力系统。
电动发动机提供动力，锂电池提供电能。
飞行控制系统的组成
飞行控制系统的组成飞行控制系统是指用于控制飞机飞行的一系列设备和程序。
它是飞机的重要组成部分，直接影响着飞机的操纵性、稳定性和安全性。
飞行控制系统的主要组成包括飞行操纵系统、飞行指示系统、飞行保护系统和自动飞行控制系统。
一、飞行操纵系统飞行操纵系统是飞行控制系统的核心部分，用于操纵飞机的姿态和航向。
它包括操纵杆、脚蹬和相关的机械传动装置。
操纵杆通过机械传动装置将飞行员的操作转化为飞机的姿态变化，从而实现对飞机的操纵。
脚蹬主要用于控制飞机的航向。
飞行操纵系统的设计需要考虑飞行员的操作感受和操作精度，以及飞机的动力特性和气动特性。
二、飞行指示系统飞行指示系统用于向飞行员提供飞机的状态和参数信息，以帮助飞行员准确地掌握飞机的飞行情况。
飞行指示系统包括人机界面设备和显示设备。
人机界面设备包括仪表板、显示器和按钮等，用于向飞行员显示飞机的状态和参数，并接收飞行员的操作指令。
显示设备一般采用液晶显示屏或投影显示技术，能够实时显示飞机的速度、高度、姿态、航向等信息。
飞行指示系统的设计需要考虑信息的清晰度和可读性，以及对飞行员的操作需求和反馈。
三、飞行保护系统飞行保护系统用于提供飞机的保护和安全功能，防止飞机发生失控或危险情况。
飞行保护系统包括防护装置、警告系统和应急措施。
防护装置主要包括防止飞机过载的装置、防止飞机超速的装置和防止飞机失速的装置等，能够保护飞机免受过载、超速和失速等不安全飞行状态的影响。
警告系统主要用于向飞行员提供飞机的警告和提示信息，以帮助飞行员及时发现和解决飞机的异常情况。
应急措施主要包括自动驾驶和自动下降等功能，能够在紧急情况下自动控制飞机的飞行。
四、自动飞行控制系统自动飞行控制系统是飞行控制系统的高级形式，能够实现自动驾驶和飞行管理功能。
自动飞行控制系统主要包括飞行管理计算机、自动驾驶仪和导航系统等。
飞行管理计算机负责计算飞机的飞行参数和航路信息，并根据飞行员的指令进行飞行计划和航线管理。
空中飞行器的飞行控制和稳定性控制系统
空中飞行器的飞行控制和稳定性控制系统空中飞行器的飞行控制和稳定性控制系统在现代航空技术中扮演着重要角色。
这些系统负责控制和维持飞行器的平稳飞行以及各种机动动作。
本文将就飞行控制系统和稳定性控制系统的工作原理和应用进行探讨。
一、飞行控制系统飞行控制系统是指控制飞行器姿态和自稳定的系统。
它通过感知和分析飞行器的状态，依靠飞行控制计算机来决定控制器输出的指令，从而实现对姿态和自稳定的控制。
1. 系统组成飞行控制系统主要由以下几个组成部分构成：传感器：包括陀螺仪、加速度计、气压计等，用于感知飞行器的姿态、速度、高度等参数。
飞行控制计算机：负责算法的计算和控制指令的生成。
控制器：根据控制指令调整飞行器的推力、翼面、襟翼等控制面。
执行器：执行控制指令，通过调整控制面的位置和姿态来控制飞行器的姿态和飞行状态。
2. 工作原理飞行控制系统的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：传感器感知飞行器的姿态、速度、高度等参数。
飞行控制计算机根据传感器数据分析并决策。
控制器根据飞行控制计算机生成的控制指令调整飞行器的控制面位置和姿态。
执行器执行控制指令，改变飞行器的状态和姿态。
3. 应用飞行控制系统广泛应用于各类飞行器中，包括商用客机、军用战斗机、直升机、无人机等。
它们通过飞行控制系统实现飞行器的平稳飞行、自动驾驶和飞行特性优化等功能。
在紧急情况下，如飞行器出现故障或遭遇恶劣天气，飞行控制系统也能帮助飞行员稳定飞行器，确保飞行安全。
二、稳定性控制系统稳定性控制系统是飞行器中重要的控制系统之一，它能够使飞行器保持在稳定的状态，抵抗外界扰动并保持飞行安全。
1. 系统组成稳定性控制系统主要由以下几个组成部分构成：纵向稳定性控制：包括俯仰稳定和纵向运动稳定。
横向稳定性控制：包括滚转稳定和侧滑稳定。
自动驾驶系统：可根据预设的稳定性要求自动控制飞行器的稳定状态。
姿态控制系统：根据飞行器的姿态信息，调整控制面的位置和姿态。
2. 工作原理稳定性控制系统的工作原理依赖于飞行控制系统提供的姿态信息。
民用飞机自动飞行控制系统：第5章 飞行速度控制与航迹控制
• 实际上，用油门控制飞机速度时，需要俯仰角控
制系统同时工作，以保持飞机姿态不变。
• 油门自动调节器是控制发动机油门位移的伺服控
制系统 ；
• 发动机环节表示油门变化后，发动机推力变化的 动态过程。
• 油门杆速度控制系统主要用于低动压飞行状态， 可保证平飞速度稳定，也可保证用姿态角控制系 统来控制飞行轨迹。
2.自动拉平控制系统（自动拉平控制模式）
任务 将下滑时的垂直下降速度减小到允许的 着地下降速度。(约为(-0.3～-0.6)m/s) .
方法 垂直下. 降速度随高度h的减小而降低。
.h(t) h(t) /
hh(t)0 h(t)h0et/
拉平段轨迹设计为指数曲线 。
h0 为拉平开始的起始高度；
Y 0tY dt 0tV dt
➢ 侧偏距控制系统副翼控制规律为
a K K KY Y
.
r cos
.
q sin
q tg ( 0)
V
.
Y V sin( )
V sin V
➢ 侧偏距修正过程
• 初始时刻：一定的侧偏距：Y0
一定的偏航角： 0
一定的滚转角：0 0（水平直线飞行）
• 在控制过程中，发动机油门控制系统将保持所需 要的飞行速度。
• 飞机质心偏离下滑线时的运动（几何）关系：
tg d / R ，近似， d / R
d V0 sin( ) V0 (+ )/57.3
t
t
d 0 ddt 0V ( ) / 57.3dt
• 耦合器用于改善整个系统的性能。
e Khh K 0
4 舵面提前回中—攻角增量近似为零
第五章 典型飞行控制系统分析ppt课件
❖ 积分式控制规律：舵面偏转角与自动驾驶仪输入信号之间成 积分关系，或舵面偏转角速度与自动驾驶仪输入信号之间成 比例关系；构成积分式自动驾驶仪（无差式）。
.
自动驾驶仪的俯仰通道：用来控制飞机俯仰角运动的，作 为俯仰角运动的自动控制，既要考虑飞机相对于横轴的转 动，即俯仰角本身的变化，也要考虑速度向量在对称平面 内的转动。
.
5.4.1 姿态控制系统的构成与工作原理
-比例式自动驾驶仪
（4）一阶微分信号在比例式控制规律中的作用（续）-结论 ➢在一定的舵回路时间常数下，用增加反馈增益 L 来 增大阻 尼是有限度的，特别当T较大时； ➢为确保角稳定回路的性能，不能单纯增加速率陀螺信号强 度（即 L 不能过大），必须同时减小舵回路的惯性，使舵回 路具有足够宽的通频带； ➢一般舵回路时间常数T限制在0.030.1s内，即舵回路的频 带一般比飞行器频带宽35倍。
机的输出信号反馈到输入端形成负反馈回路的随动系统。 ❖ 舵回路的组成：舵机、反馈部件、放大器。
-
-
放大器
舵机
舵面
舵回路
测速机 位置传感器
.
5.1 概述
❖ 自动驾驶仪：测量部件测量的是飞机的飞行姿态信 息，则姿态测量部件+舵回路=自动驾驶仪。
❖ 稳定回路：自动驾驶仪+被控对象 稳定回路。 稳定回路作用：稳定和控制飞机姿态。
eL(g)
式中例：式控L制K 律K的10姿,态g角U 自K 1动g 控由制垂器直如陀下螺：以及舵回路构成了比
垂直陀螺
Ug
K +-
1 U
u
舵回路
飞行控制系统现代飞行控制技术
衡量飞机操纵性好坏的一个重要指标是杆 力灵敏度。控制增稳系统可以增加杆力灵 敏度，提高系统操纵性能。下面通过传递 函数进行分析。 略去高通环节与滤波环节，并令 k
nz y
0有：
简化的俯仰控制增稳系统结构图
Fy kj + + k k p s UP M s + UM k kz qs e s k yq q
UM
1 k +
杆力传感器 指令模型
说明：
控制增稳系统是在增稳系统基础上添加一 个杆力传感器和一个指令模型构成的，即 系统由机械通道、电气通道和增稳回路组 成。机械通道与电气通道并行。电气通道 相当于一个前馈通道，其作用是增大传递 系数，并使角加速度灵敏度满足驾驶员的 要求。
工作原理：
驾驶员的操纵信号一方面通过机械通道使 舵面偏转 m；另一方面，通过电气通道由 杆力传感器产生电的指令信号，经指令模 型形成满足操纵特性要求的电信号，与增 稳系统的反馈信号综合后使舵面偏转 M ， 总的舵面偏角为： e m M 电气指令信号的极性与机械通道来的操纵 信号同相，其值与杆力位移成正比。可见 电气指令信号使操纵量增强，因此控制增 稳系统又称控制增强系统。
k p s
M s
杆力传感器 指令模型
2、比例加积分控制律
e K q K nz k z k p M s k Fy k z k j Fy
q y nz q Ky q Ky nz dt k k z k p M s Fy dt
nz y
引入积分不仅是为了提高稳态精度，更重 要的是为了实现飞机自动配平。纵向力矩 不平衡时，舵机自动承担配平任务，无需 驾驶员干预，也就不存在杆力配平问题。 但要实现积分作用，舵机必须有较大的权 限，所以舵面权限较小的控制增稳系统只 能采用比例式控制律。
《典型Ⅱ型系统》课件
系统调试与测试
代码审查
对系统代码进行审查，确保代 码质量，减少潜在的错误和漏
洞。
单元测试
对系统中的各个模块进行单元 测试，确保模块功能正确性。
系统集成测试
对整个系统进行集成测试，确 保系统各部分协同工作正常。
压力测试与性能测试
模拟高负载情况下系统的性能 表现，发现潜在的性能瓶颈和
问题。
05
典型ⅱ型系统的未来发展与挑 战
分析系统内数据的流动和处理过 程，确保数据的一致性和完整性 。
系统设计方法
架构设计
01
根据需求分析结果，设计系统的整体架构，包括硬件和软件的
组成及相互关系。
模块设计
02
对每个功能模块进行详细设计，包括模块的输入、输出、处理
逻辑和数据结构等。
接口设计
03
设计模块之间的通信接口，包括数据格式、通信协议等，确保
典型ⅱ型系统
contents
目录
• 典型ⅱ型系统概述 • 典型ⅱ型系统的应用场景 • 典型ⅱ型系统的设计与实现 • 典型ⅱ型系统的性能优化 • 典型ⅱ型系统的未来发展与挑战 • 典型ⅱ型系统案例分析
01
典型ⅱ型系统概述
定义与特点
定义
典型ⅱ型系统是一种由传感器、控制 器和执行器组成的闭环控制系统，用 于实现特定的控制目标。
过程控制
典型ⅱ型系统能够对工业过程中的各种参数进行实时监测和 调控，如温度、压力、流量等，确保生产过程的稳定性和安 全性。
智能家居领域
智能家电控制
典型ⅱ型系统能够实现智能家居中的家电设备互联互通，通过手机、语音等方式 进行远程控制，提供便捷的生活体验。
环境监测与调控
典型ⅱ型系统可以对家庭环境进行实时监测，如温度、湿度、空气质量等，并根 据需要进行自动调节，提高居住舒适度。
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三、典型飞行控制系统
1、已知某飞机的传递函数是：
)
69.19.0()4.0(5.1)
()
(2
+++-=
∆∆Z s s s s s s δϑ，其俯仰姿态角控制系统的
控制规律为：∙
Z Z Z ∆K +∆-∆K =∆+T ∙
ϑ
ϑϑδϑ
ϑ
δ)()1(g s 。
（1）由控制规律画出相应的系统结构图；
（2）要控制该飞机舵回路的时间常数应作何限制？ （3）若飞机受到常值力矩92
.0=∆M
Z γ
公斤*米，已知 Z
Z
M
δ=-1.15公斤*米/度，若要求
稳定后其静差
s θ∆<0
1 ，应对Z K ϑ 作何限制；
（4）若要保证该系统的动态性能，应如何选取Z
∙
K
ϑ
的值。
（5）分析在垂直向上风干扰下，系统的动态相应过程以及稳态情况。
2、已知某飞机的传递函数是：
)
47.15.1()59.0(2.1)
()(2
+++-=
∆∆Z s s s s s s δϑ，其俯仰姿态角控制系统的控
制规律为：∙
Z Z Z ∆K +∆-∆K =∆+∙
ϑϑϑδϑ
ϑ
)()11.0(g s 。
（1）由控制规律画出相应的系统结构图；
（2）求出内回路闭环传递函数，并绘制随参数∙
Z
K
ϑ
变化的根轨迹图，并求取
值时的使∙
Z
K
=ϑ
ξ87.0以及此时三个内回路闭环极点值；
（3）求出外回路闭环传递函数，并绘制随参数ϑZ
K
变化的根轨迹图，并求取
值时的使ϑξZ
K
=8.0以及此时三个外回路闭环极点值；
（4）采用根轨迹方法分析舵回路时间常数对飞行控制系统工作性能的影响；
（5）分析参数∙
Z
K ϑ
与ϑZ
K
之间的关系。
●
自动驾驶仪有哪几个工作回路？
(1）同步回路 (2)舵回路 (3)稳定回路 (4)控制回路 ● 俯仰阻尼器的作用是什么？
用来改善飞机的纵向短周期运动的阻尼特性 ● 滚转阻尼器的作用是什么？
用来改善飞机—阻尼器系统的滚转特性
● 什么是控制增稳系统？其作用是什么？
不牺牲操纵性来提高飞机的阻尼比和固有频率，又可以解决非线性操纵指令问题 ● 飞行高度控制系统需要 最基本的信号？
需要直接测量飞行高度，使用高度差传感器，根据高度差的信息来直接控制飞机的飞行姿态，从而改变航迹请教，以实现对飞行高度的闭环稳定和控制
●飞机进近过程中，按一定的下滑坡度下滑，此时飞机的水平速度一般为？下滑角度一般
为？垂直速度一般为？
下滑速度：70~80 m/s
下滑角度：-2.5°~ -3.5°
垂直速度：-3.5 ~ -4.5 m/s
●飞机接地速度一般为？
接地速度：-0.5~ -0.6 m/s
●自动拉平着陆系统的作用是？拉平轨迹的变化规律为？
为了使下降速度能够随高度降低而成比例减小，在理想情况下，当下降速度为零时，高度也恰好为零
拉平轨迹的变化规律：h（t）=h0e-t/t+th1 (接地速度)
●什么是协调转弯？飞机向左协调转弯时，副翼、方向舵、升降舵？
飞机在水平面内连续改变方向，保证偏航角与滚转运动两者耦合影响最小，并能保持飞行高度的一种机动动作称为协调转弯
升降舵：向上偏
副翼：左上右下，进行负向滚转
方向舵：左偏，防止侧滑
●速度控制方案有几种，其实质分别是？自动驾驶仪与自动油门系统在飞机的控制过程中
如何协调配合？
两种方案：⑴通过升降舵偏转来改变俯仰角从而实现速度控制：实质是调整重力在飞行速度方向上投影的变化
⑵自动油门系统：通过改变油门大小，改变发动机推力实现控制速度
四、电传操纵系统与余度技术
⏹什么是电传操纵系统，其优缺点是什么？
电传操纵系统是一种没有机械操纵系统，将驾驶员的操纵装置发出的信号转变成电信号，按照一定的规律和原理构成的飞机操纵系统。
优缺点：⑴靠电信号传递飞行员操纵指令，因而在这种系统中不再含机械操纵系统。
⑵把控制增稳系统作为这一系统不可分割的一个组成部分，系统可以利用全权限来
改善飞行品质，优于传统的控制增稳系统。
⑶系统配置多余度，以保证不亚于机械操纵系统的可靠性，而且应保证二次故障下
正常工作。
目前一般要求失效率不大于10-7次／飞行小时。
⏹什么是余度系统？它有哪些功能？
余度系统是执行同一指令或完成同一任务的多重(套)系统。
并且应具备如下功能：
⑴对系统各组成部分进行监控；（故障监控）
⑵对故障部件进行隔离，不使其危及系统的安全运行；（故障隔离）
⑶在故障部件隔离后，系统应具有重构的能力，以保证系统继续正常运行。
（系统重构）
3、什么叫非相似余度？输入、选择、监控器的作用是什么？其基本余度算法有哪些？
非相似余度就是采用完全不同的硬件和软件来组成余度通道，产生和监控飞行控制信号，从而可以避免多通道余度系统的共点故障
⏹什么是备份系统，有什么缺点？
当电传操纵系统由于系统主要余度部件（如重要的传感器、计算机处理器等）完全失效时，或电传系统受到环境因素（如雷电或电磁干扰等）以及软件共点故障的影响完全失效时，保证飞机具有所要求的生存能力。
缺点：⑴采用备份系统将使系统的复杂性增加，提高了设计和研制成本。
⑵可能成为飞行控制系统额外的故障源。
⑶独立备份系统还要求额外飞行试验，要求驾驶员进行额外的训练以熟悉和掌握
这种操纵状态。
⑷系统设计时，还必须精心设计，以保证两种系统可以实现良好的转换。
五、偏航阻尼系统
⏹什么是飞机的荷兰滚？分析飞机产生荷兰滚的原因？偏航阻尼器的作用是什么？
⑴荷兰滚：飞机进行侧滑角的正负振荡运动的同时又造成左右滚转的运动
⑵当侧滑角>0时C lb产生正的偏航力矩，消除侧滑，产生正的偏航角速度
C lb产生负的滚转力矩，飞机向左滚转
此时升力L左倾斜，L与G的合力加剧左侧滑，抵消部分偏航运动的阻尼效果，若出项右侧滑，则重复以上过程，方向相反，这样出现了侧滑角正负振荡，滚转角左右滚转的运动过程
⑶偏航阻尼器的作用：偏航阻尼器给出指令使方向舵与飞行的偏航力矩成比例并与其相反的方向移动
⏹主偏航阻尼器的部件有哪些？各有什么作用？
SMYD 1：
偏航阻尼器衔接电门：衔接偏航阻尼系统使其工作
偏航阻尼器断开灯：
偏航阻尼器指示器：指示衔接情况，正常时灯熄灭
偏航阻尼器在主方向舵PCU上的部件：探测由荷兰滚和湍流造成的不期望的飞机偏航
⏹ADIRU给偏航阻尼器的信号主要有哪些？
大气数据惯性基准组件（ADIRU）向SMYD发送惯性的和大气数据。
数据包括空速，姿态，偏航和横滚速率及加速度。
⏹主方向舵PCU —电动液压伺服活门的作用是？主方向舵PCU作动筒—电磁活门的
作用是？
电动液压伺服活门：对于主偏航阻尼，在主方向舵PCU上的电动液压伺服活门将来自SMYD 1的电气指令信号改变为受控的液压流送到主方向舵PCU上的偏航阻
尼作动筒。
EHSV控制着使方向舵移动的偏航阻尼器作动筒的移动速率
和方向以提供主偏航阻尼。
作动筒—电磁活门：在主方向舵PCU上的偏航阻尼器电磁活门使偏航阻尼器系统增压。
当你衔接偏航阻尼器系统后，电磁活门向控制主方向舵PCU上的偏
航阻尼器作动筒的电动液压伺服活门（EHSV）传送液压液。
这将使
方向舵移动起偏航阻尼作用。