飞机襟翼控制系统

近百年以来，由于飞机的发明使我们的生活便利了许多。飞机不但大大的缩短了交通时间，而且一个国家的飞机制造业和航空业的发达程度决定了一个国家的国际地位。飞机襟翼的设计主要是为了协调飞机高，低速性能的矛盾。襟翼一般被用作增升装置，不同的需求选择不同的襟翼。本文设计了飞机襟翼控制系统的软件和硬件。本设计中的控制器它采用了STC89C5RC来作为主控芯片，并且采用了双电机的模式，主要的是为了当出现意外险情，其中一个故障时，另一个还可以继续让飞机保持一个正常的运行。提高了系统的可靠性，当四位开关触发时，通过双H桥来驱动电即正反转以便来控制襟翼的度数的改变。然后通过从丝杠上取信号来把位置反馈到主控芯片内然后通过DAC0832以电压的形式反馈到驾驶室中。1 绪论
飞机由于起飞和降落的时候速度很低，或者有时候飞机需要把速度降的很低，这个时候飞机的升力就会下降。飞机就有坠落的危险，为了解决这种问题，就有了襟翼出现，襟翼作为增升装置的一部分被飞机控制系统所控制。
1.1课题研究背景
近百年以来，由于飞机的发明使我们的生活便利了许多。飞机不但大大的缩短了交通时间，而且一个国家的飞机制造业和航空业的发达程度决定了一个国家的国际地位。飞机由于起飞和降落的时候速度很低，或者有时候飞机需要把速度降的很低，这个时候飞机的升力就会下降。飞机就有坠落的危险，为了解决这种问题，科学家们就发明了飞机襟翼这种设计。
随着现代科技的不断发展，飞机的先进程度也在一定方面体现了国家航空水平的先进程度，现在发达国家在襟翼的的研究上面已经成熟。飞机若要飞起，必须机翼的升力必须要比重力高。那么应当如何提高升力。其中一个办法是提高飞机的速度，但是跑道长度的限制只能采取另外的办法。那就是把机翼的曲率进行一个变化，所以今天的飞机上配置了叫做襟翼的装置，这样你就可以通过使机翼的曲率变换来获得充足的升力。襟翼是用于产生高升力装置的的板条和襟翼。襟翼是飞机机翼后缘内侧的气翼型材料。指的是现代飞机机翼边缘上的一种机翼形状可移动装置。它们一般位于飞机翅膀的前后，可以向下转动或向后边滑动。它们由液压或马达驱动来操作，以伸展或收缩。襟翼主要的作用就是在飞行中增加升力当襟翼降低大约12度时，机翼翼型的外倾角增加，导致起飞过程中产生高升力。当襟翼下降30度的时候，这个时候会产生高阻力和高升力。这对飞机平稳的降落以及减少着路距离有很大的帮助。襟翼有各种不同的类型。襟翼操控系统又称为增

升系统他主要受众类型有开槽襟翼，富勒襟翼，平板襟翼，分瓣等。他们的用处也各不相同。简单襟翼是最早出现的襟翼，它是由英国发明的，他可以提供大约30%的升力。在其出现不久后又有了开裂式，它不仅能让翼变弯还可以配合其他的部分形成一个低压区使提升系数大大的提升。然后出现了开缝襟翼具有革命意义的，当襟翼展开时，机翼下方的高压气流加快通过该间隙并往上翼流动，从而增加了上边界层气流的速度和能量。实现了减小边际层薄厚、延迟分离和消弭涡流的作用。受到前缘襟翼的开导后缘式的被开发了出来，当它降低时，一个是增加了机翼的曲率，另一个，分离被延迟，增加了失速角的动能。 富勒式的它处于在下半飞机翅膀的活动面。当用的时候，襟翼沿着安设在下翼上的滑轨向后，然后向下偏转。富勒襟翼不仅可以提高曲率，而且可以最高程度的提高机翼的有用面积，因此升力效应更加显著。随着技术的不断发展，襟翼也在不断地更新，比如最新式的喷气式襟翼。但是有部分的飞机不需要这么复杂的功能，这个时候为了满足需求，使用传统的襟翼便可。在飞机襟翼在使用过程中是离不开飞机襟翼控制系统的操纵的。
控制系统指的是通过驾驶员给定的指令来配合其他的控制部分控制飞机的姿态，根据操作指令的发出者，又分为人工操作和自动操作。而襟翼主要是靠辅助操作系统来控制，所以一个控制系统是否完善决定了安全程度。有些飞机由于系统设计和执行不足而处于危险之中，所以系统的是极其重要的。操纵系统的完善程度随着飞机技术的不断完善和需求，先后出现了机械式控制系统，液压式，电传式，模拟电传式和数字电传式、电驱式以及处在实验阶段的智能式。
1.2课题研究意义
以前的控制系统是机械式的，这样就需要利用各种机械部件讲操作力从驾驶室操作装置传递到控制面上，这种操作系统的话不用考虑动特性，只需要考虑它的摩擦，间隙加以控制就好了。这样的话就可以获得不错的效果。不过随着飞行技术的不停成长，飞行器速度变得越来越快。这个时候飞行员的体力就不足以适应空气动力载荷。这对飞行员的力气有了很大的的考验。然后就出现了直到今天还在用的电传式控制系统的情况下用电信号来驱动，这样是不需要飞行员去用力操作的。飞行员只需要安心的驾驶飞机。这样的话飞行安全也会大大的提升。不过随着技术的发展航空器性能在不断提高但是他的尺寸慢慢变大。这个时候飞机操纵系统就变的不但重，而且复杂程度也大幅度增加。这样的话就很大程度制约了航空器的进步。这个时候

就就有了数字电传式，它是由数字计算机来处理信号，这样可以精确的去操纵飞机。直到现在先进的电驱式系统。电驱式节省了重量，拥有更高的集成性。还有就是因为电驱式的维护成本大大的降低，使得电驱式操作系统称为目前的主流。从航空器发展的角度来说，控制系统的改善对于飞机的安全和经济性有了极大的改善，能避免航空器被危险的操纵。飞机操纵系统中根据指令的不同又分为人工指令和自动控制的指令。他们分别由人工操作和自动控制系统的操作。而人工操作系统又分为主要的操作系统和辅助操作系统。主操作系统主要是操作升降和方向舵，副翼也它的控制范围内。这样就可以实俯仰等飞机操纵姿态的一个变换。它主要是驾驶员直接操控的中央部分和传动系统构成，中央系统在驾驶室一般是手和脚来控制。手主要控制的是副翼和升降舵，它们两个互不干扰，因为都是相互独立的。它通常采用方向盘和转向柱的形式。驾驶杆的话是前后控制然后让升降舵进行一个活动，左右操作控制副翼。另一种形式的话升降控制是一样的，不同之处在于左右转动是副翼。传动系统把飞行员的手和脚传出的力传递到飞机的控制面上，让舵面的转角和速率与控制量相对应。所以很大程度上安全性都依赖于传动系统。传动部分是传动杆，滑轮等组成的。他们又分为很多，软式或者硬式。
辅助操作系统也称为升阻递增操作系统。它为了改善飞机性能，主要就是控制增升、减速等辅助操作面。因为需要让辅助面保持一个相对固定的位置，所以他需要可以立即停止的装置，这就使它和主要系统的不一样的部分。而且辅助系统它不不会让操作人员感到位移的感觉，但是必须知道它的操纵面位置，所以这里就需要指示器。一般选择的是电压回馈驾驶室的方式。另一个就是当它到了它该到的位置的时候，不会在其他力的作用下，比如空气动力作用下回到原先的位置。它主要就是操纵襟翼等部分增升。改变了飞机的性能。减轻了操作负担。具体的话就是襟翼和减速板来控制飞机的运动状态。辅助操作系统的操纵只需要驾驶员选择相应的开关，开关主要就是襟翼手柄，它常常有很多个位置，手柄给定电信号后控制电机的驱动来达到目的，比如777飞机，最大角度30°。起飞允许停在5°、15°和20°。着陆为25°和30°。所以用电机控制可以起到一个便捷又有效的作用。
1.3相关研究情况
飞机控制系统是需要确保飞机具有高度的稳定性、和良好的机动性，同时需要能够提高飞行机能，从而保证完成飞行使命的能力。另一个就是要具备很高的安全性，让飞行员的工作负

担得以减轻。现在主要用的操作系统有以下几点：第一种是机械式，在空气动力差的早期飞机上比较常见。为了飞行员可以正常的将操纵力通过驾驶舱里面的装置传递过来。它们就采用了杆、绳索、滑轮这一类机械部件，甚至链条也是在使用的范围内。慢慢的飞机速度变高，面积变大，然后人们想到了助力这种办法来帮助使用者，然后就有了机械助力系统。还有一些采用的是气动力的方法去把系统的复杂性降低。这个在早期的活塞式飞机上可以见到。
第二种是液压式，因为飞行员体力的问题，技术的发展和人们的需求，出现了用液压的办法。这种液压类型的由两部分组成：第一是控制室和液压回路之间的连接回路，是机械式的。杆子、套索、滑轮甚至链条为机械回路的组成部分。飞机的表面由致动器驱动以产生一种流体式的动力。然后液压式的动力元件是产生流体压力的设置，而电液转换元件控制致动器的动作。控制器的动作可以通过机械回路。传导给液压回路中具备相应能力的伺服器，从而由液压泵来驱动执行器以达到控制飞机操作面的作用，可以在老式得高性能飞机上见到。
第三种是人工感官反馈。对于机械控制系统，飞行员可以通过各种各样的设备体验飞机各个方向的空气动力。这种反馈使飞机的安全性有所改善。所以他们创造了一种灵活的装置。 随时间改变装置重心，反馈力与空间速度的平方成正比。不过这样高速飞机所需的力量就增加了。飞机的稳定性和可操作性，这两个之间的矛盾因为包线的扩大变得越来越突出为了解决这个问题，这个时候已经有局部用了电传操纵了。不过局限于机械通道还要继续作为主控通道。
第四种是电传操纵，为了实现最佳的飞行设计，主控通道逐渐的由机械转换为电传式，就有了电传式，它是航空航天领域中的控制输入，并且计算机处理转换的控制输入，该控制输入是电信号，然后通过电缆将其传输到执行器。设计者不但降低了航空器的重量，同时也提高了他的可靠性。电传操纵从字面上来看它就是通过电信号来操纵的一个系统，但事实上，它是通过计算机来进行控制的，计算机通过软件程序修改了驾驶员的输入，这样就可以规避驾驶员错误的输入。在飞机上，这种系统一般都有四个通道以供使用，这样的话即使有部分损毁，飞机仍旧可以正常的运行。为了高机动性，有些飞机静稳定性很低，甚至为负。而且对面传统的飞机，电传式的一般重量很小，因为可以放宽静稳定性，所以运输机的重量就可以得到有效地改善，战斗机可以更有效的改善，这是因为舵面做的更小。而且液压渗透会让

飞机失去控制，大多数飞机有好几套液压系统，但是管道铺到一块容易同时受损，用了电传系统后，线路就可以更加的灵活和方便，而且比起前者更容易保护。电传系统主要问题就是可靠性，传统的系统它通常是慢慢的无效，这样的话飞机就会立马变得不能控制。所以，大多数的电传系统包含有亢余计算机和传统式的备份。这样的话让电传系统的一些优点变得没有任何意义，但是由于亢余系统只是被用在意外险情这种紧急情况上，因此提供有限的能力就可以让系统变得更简单和轻便。
第五种是模拟电子控制，笨重而且复杂的机械回路被电传操纵用电子线路取代了。信号换能器发出对应的指令，换能器又被操作装置控制，指令又被计算机处理。比如我们常见的自动控制飞机的装置就是其中的一部分。这种构型中，电子感觉装置被控制器操控。用来提供感觉力。
第六种是数字电传控制，数字式和模拟类似，数字电传飞行操作系统属于模拟式的进化产物不过信号处理改成由数字电子来处理。由于数字计算机可以接受输入信号，而且是飞机上的任何传感器，这大大提高了他的灵活性。为了使稳定性增加，计算机里面的程序让设计者可以准确的对航空器的操作特点规定。所以临界电子的额定值倒显得不是那么的重要。但是可靠性是最令人担忧的因为数字式的话计算机是唯一的控制渠道。如果计算机无法工作的出现故障的话，飞机就失去了控制。所以，实际上所有的电传系统都有三到四个计算并行工作，并且他们都拥有自己独立线路，这样的话即使崩溃1到2个也不会影响飞机的运行。而且最早期的数字式是拥有模拟式，机械式和液压式的备份系统的。对于载人客机来说，因为取消了某些笨重的部件，减轻了重量间接提高了经济效益。
第七种是光纤式，在某些场合光纤式操纵系统更适合一点，因为他的数据传输率比较高还有就是因为随着飞机发展电缆越用越多，这就导致了线路之间容易互相干扰，所以采取了光纤式的操纵系统来作为传输介质，这样就可以不受电磁干扰。不过大多数情况下，光纤式只是取代了以前的电缆。在系统软件方面上基本上没有什么变换。
第八种是电驱式，既然机械回路都被代替了，那么下一个肯定是液压回路了。这个时候电路被用来更换液压回路。这样就保留了电传操纵的所有优点。这种系统它可以减少重量这样的话就有了增加更多电力回路的可能。它具有更高的集成度和更低的维护成本。
第九种是智能式，它是数字式的一个扩充，主要是为了对飞行中出现的意外飞行损坏或失效这种紧急情况的控制做一个增强，不

过这种系统目前还处在实验阶段。小型飞机有成功着陆的例子。但是大型的还尚且没有成功的范例。据报道，这种系统只是在很大的程度上加强了数字式的软件部分。
2 方案设计
2.1 基本原理
本课题主要采用的是电压反馈以及电机正反转的形式来控制襟翼的度数变化。每个四位开关代表一定的度数，当四位开关给定单片机信号时，单片机将判断此位开关在什么档位，以决定电机是正传还是反转。正反转由H桥驱动来控制，电机转过的圈数同时也反映着襟翼的度数。圈数的反馈和测量通过增量编码器来反馈，圈数和度数非线性拟合。最后度数通过电压的形式来反馈给驾驶室的电脑。
2.2 系统框图
系统框图主要包括：四位开关，位置检测，零点检测，双H桥驱动模块，有刷电机，DA数模转换模块。
图2.1 系统结构框图


控制系统选用STC89C52RC作为主控芯片，STC89C52RC主控系统还需要外接晶体振荡器和复位电路。
双H桥驱动模块则选用的是L298N，属于双H桥驱动芯片，可以方便的驱动负载。
数模转模块选用DAC0832数模转换，DAC0832受众型比较广，同时使用起来比较简单。
位置检测选用的E26N-CWZ6C，可以用AB相简单的来测取计数脉冲。
零点检测用的E3F-DS30C4，是一个红外漫反射光电开关，拥有NPN型和PNP型，取决于电机上的码盘来选择。
四位开关选择的是用按键来实现，这里选择用跳线帽短路来实现按下去不弹上来的功能。
3 硬件电路设计
根据需求，控制系统实际的硬件部分电路模块分别是：四位开关电路、单片机的最小系统模块设计，双H桥电机驱动电路、DA转换电路以及位置检测模块和零点检测电路。其中每个模块的电路的设计在本节中一一做了介绍。
3.1 主控制电路设计
STC89C52RC是一款低功耗，高性能的微控制器，具有8字节的程序存储器和512的数据存储器。它比普通版的STC89C52更容易下载程序，而且内置有4K的EEPROM，可以实现掉电保存的功能。并且存储器可以经过更多的擦除次数，高达10万次。这样的话不用担心实验时擦除次数。
STC89C52RC具有2.8至6.5V的宽工作电压。在3V下工作时，电流相当于6V工作的1/4。由于其低功耗，可以使用电池电量。他的动态电流为5.3毫安，空闲状态为1毫安。并且它可以减少到0HZ静态逻辑运算，并且有两种节省功率的方法。
3.1.2 单片机特点
STC89C52RC具有以下几个特点：
（1）片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器
（2）全静态工作,工作范围:0赫兹～24兆赫兹
（3）三级程序存储器加密
（4）128×8位内部RAM
（5）32位双向输入输出线
（6）两个16位定时器和两个16位计数器
（7）五个中