自动驾驶仪系统

自动驾驶仪系统

2.1自动驾驶仪的功能

自动驾驶仪的基本功能可列举如下：

（1）自动保持三轴稳定，具体地说，及自动保持偏航角，俯仰角于某一希望角度，倾斜角保持为零进行直线飞行（平直飞行，爬高，下滑）。

（2）驾驶员可以通过旋钮或其他控制器给定任意航向或俯仰角，使飞机自动改变航向并稳定于该航向，或使飞机上仰或下俯并保持给定俯仰角。

（3）自动保持飞机进行定高飞行。

（4）驾驶员通过控制器操纵飞机自动爬高或俯冲，达到某一预定高度，然后保持这一预定高度。

上述所有基本功能都是指自动驾驶仪与飞机处于正常状态的控制功能。辅助功能如下：

（1）一旦自动驾驶仪的舵机处于卡死或无法操作的状态时，应允许驾驶员具有超控的能力。

（2）自动回零功能。在投入自动驾驶仪之前，飞机本身处于平直飞行的配平状态，必须让自动驾驶仪的反馈信息与测量元件的总和信号回零，才能避免投入后形成误动作。

（3）B IT功能。一种机内自检测功能，在自动驾驶仪的部件及系统中，可设置BIT检测信号，借以检查某部件或全系统工作是否

正常。这种检查可在自动驾驶仪投入前进行。

（4）M a数配平功能。飞机在跨声速区，升降舵操纵特性有一个正梯度区，从而操纵特性不稳定，设立Ma数配平系统控制水平安定面，以改善其操纵特性。

2.2自动驾驶仪的分类

自动驾驶仪最常用的分类方法是按控制律来区分。所谓控制律通常是指自动驾驶仪输出的舵偏角与信号的静动态函数关系。按这种分类方法，可分为比例式自动驾驶仪、积分式自动驾驶仪和均衡式反馈自动驾驶仪（比例加积分控制律的自动驾驶仪）三种。

其次也可以按自动驾驶仪三种主要部件（传感器，计算与放大元件以及舵机）的能源来分，这时可以分为气动式（早期应用过），气动液压式，电动式以及电动液压式。

如果按处理信号，实现控制律是采用连续信号，还是中间经过数字化再转换成为模拟信号来区分，可以分为模拟式与数字式两种。

2.2.1比例式自动驾驶仪

以俯仰通道为例，升降舵偏角增量与飞机俯仰角偏差成比例的自动控制器称为比例式自动驾驶仪。

δ∆e=Lθ（θ∆ - θ∆g）（产生控制力矩）

其工作原理是：设飞机处于等速水平直线飞行状态。受某干扰后，出现俯仰角偏差Δθ=θ-θ0 （θ0为初始俯仰角，假设为零）。垂直陀螺仪测出偏差角，输出与Δθ成比例的电压信号，假设外加控制信号为0，则经综合装置加到舵回路，舵回路的输出驱动升降舵偏转δ∆e ，产生的气动力矩使Δθ角逐渐减小。适当选择参数Lθ，可保证时Δθ→0，δ∆e也→0 。

如果存在常值力矩干扰Mf，飞机稳定后必然存在一个δ∆e抵消Mf的影响，所以会产生一个姿态角静差。由控制规律可以得到姿态角静差的大小为：

θ∆-θ∆g=Mf/（Q0Sb∣Cmδ∆e∣Lθ）

上式表明：有干扰力矩Mf，俯仰角增量Δθ与要求的控制增量Δθg不再一致，出现的误差(Δθ-Δθg)与干扰力矩Mf成正比，与传递系数Lθ成反比。增大Lθ可减小这一误差。

一阶微分信号在比例式控制规律中的作用：（产生阻尼力矩）

δ∆e=Lθ（θ∆-θ∆g）+Lθθ∆

由上式可见：

（1）仅增大Lθ：快速性好，系统震荡增强，减小系统的阻尼，

系统稳定性变差，系统的稳态误差减小。

（2）仅增大Lθ：增大系统的阻尼，减弱系统震荡，系统快速性变差，系统的稳定性变好。

比例式自动驾驶仪：

（1）当自动驾驶仪保持高度时，受到垂风干扰时，仅有姿态误差，没有高度误差；

（2）受到常值力矩干扰时会有高度误差；

（3）在速度（斜波）输入时有稳态误差。

2.2.2积分式自动驾驶仪

去掉硬反馈，保留速度反馈，使舵的偏转角速度与俯仰角的偏差成正比，则系统工作在稳定状态时，舵偏角与俯仰角偏离值的积分成比例。这种自动驾驶仪称为积分式自动驾驶仪。是舵回路速度反馈造成这种积分关系，故也称速度反馈（软反馈）式自动驾驶仪。积分式A/P的优点是：可消除静差。

δ∆e=Lθ∫(θ∆-θ∆g）dt+Lθ（θ∆-θ∆g）+ Lθθ∆

第一项的作用：产生控制力矩消除稳态误差；

第二项的作用：产生控制力矩纠正姿态偏差；

第三项的作用：增大系统的阻尼。

另一种积分式A/P：比例式A/P+角偏差积分信号。

具有积分式控制规律的A/P工作在高度保持方式时：

（1）在受到垂风干扰时只有姿态误差，无高度误差；

（2）在受到常值力矩干扰时，无高度误差。

2.2.3均衡式反馈自动驾驶仪

均衡式反馈是在引入舵机硬反馈的基础上再加一个非周期环节的正反馈。其中时间常数Te很大，为几秒到几十秒。

在稳定与控制飞机角运动时，舵回路的动态过程时间仅零点几秒，舵回路中Te值大的非周期环节通路来不及产生明显的反馈作用，可认为是断开的（故又名延迟正反馈）。整个系统仍工作在硬反馈式状态。逐渐进入稳态后，该通路的正反馈量越来越大，最终等于硬反馈通路的负反馈量。

2.3自动驾驶仪的基本组成

为了保证自动驾驶仪的正常工作，基本组成部件有如下三种：传感器，放大部件与舵机。为了实现所要求的控制律，放大部件实现信号校正和综合。在模拟式自动驾驶仪中，不可能进行十分复杂的计算。发展成为数字式自动驾驶仪后，具有很强计算功能的计算机，允许实现更为完善的控制律，从而增加了一个计算机部件。在这同时，伺服放大部件与舵机组合成为伺服作动系统。由于计算机功能很强，除完

成控制律的计算及按飞行状态调参外，同时还可兼顾机内检测，甚至故障检测与报警等任务。因此，计算机成为当代数字式自动驾驶仪中十分重要的一个分系统。此外，执行测量任务的传感器部件诸如高度差传感器，送出姿态信号的惯性陀螺平台，实际上也都是一些闭环系统。由上可见，自动驾驶仪的基本组成部件为传感器，计算机，伺服放大器与舵机，发展成为传感器分系统，计算机分系统以及伺服作动分系统。

2.4自动驾驶仪的辅助分系统

自动驾驶仪投入前的人工定中心发展成为自动回零分系统（自动定中心分系统也叫同步系统）；为了实现BIT功能还有BIT分系统，这可能有两种配置方案，如果BIT功能基本主计算机实现，则是被包含于其他分系统的小系统。此外还有自动配平分系统和安全保障分系统。

除上述分系统外，还应有一个十分重要的部件就是操作台（或称为状态选择器，控制显示器）。它是驾驶员与自动驾驶仪交换信息的主要手段。通过它，驾驶员可以发出操纵指令，如爬高，下滑，给定航向，给定高度；自动驾驶仪给驾驶员提供飞行状态信息，故障报告等。

2.5自动驾驶仪的工作原理

自动驾驶仪是一个典型的反馈控制系统，它代替驾驶员控制飞机的飞行。假设要求飞机作水平直线飞行，驾驶员是如何控制飞机的呢？飞机受干扰（如阵风）偏离原姿态（例如飞机抬头），驾驶员用