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），驾驶员用眼睛观察到仪表板上陀螺地平仪的变化，用大脑作出决定，通过神经系统传递到手臂，推动驾驶杆使升降舵向下偏转，产生相应的下俯力矩，飞机趋于水平。

驾驶员又从仪表上看到这一变化，逐渐把驾驶杆收回原位，当飞机回到原水平姿态时，驾驶杆和升降舵面也回原位。

以上过程示于图1-1图1-1从图1-1看出，这是一个反馈系统，及闭环系统。

图中虚线表示驾驶员，如果用自动驾驶仪代替驾驶员控制飞机飞行，自动驾驶仪必须包括与虚框内三个部分相应的装置，并与飞机组成一个闭环系统，如图1-2所示。

自动飞行的原理如下：飞机偏离原始状态，敏感元件感受到偏离方向和大小，并输出相应信号，经放大，计算处理，操纵执行机构（如舵机），使控制面（例如升降舵面）相应偏转。

由于整个系统是按负反馈原则连接的，其结果是使飞机趋向原始状态。

当飞机回到原始状态时，敏感元件输出信号为零，舵机以及与其相连的舵面也回原位，飞机重新按原始状态飞行。

由此可见，自动驾驶仪中的敏感元件，放大计算装置和执行机构可代替驾驶员的眼睛，大脑神经系统与肢体，自动地控制飞机的飞行。

这三部分时自动飞行控制系统的核心，即自动驾驶仪。

为改善多级的性能，通常执行机构引入内反馈（将舵机的输出反馈到输入端），形成随动系统（或称伺服回路），简称为舵回路。

舵回路是由舵机，放大器及反馈元件组成，如图1-3虚线框图内所示。

反馈元件包括测速机和/或位置传感器。

测速机测出多面偏转的角速度，反馈给放大器以增大舵回路的阻尼，改善舵回路的性能，位置传感器将舵面位置信号反馈到舵回路的输入端，使舵面偏转角度与控制信号成正比。

有的舵回路没有位置传感器，则舵面偏转角速度与控制信号一一对应。

自动驾驶仪与飞机组成一个回路。

这个回路的主要功能时稳定飞机的姿态，或者说稳定飞机的角运动。

敏感元件用来测量飞机的姿态角，由于该回路包含了飞机，而飞机的动态特性又随飞行条件（如速度，高度等）而异。

放大计算机装置对各个传感器信号的综合计算，即控制规律应满足各个飞行状态的要求，并可以设置成随飞行条件变化的增益程序。

图1-3如果用敏感元件测量飞机的重心位置，而飞机还包含的运动学环节（表征飞机空间位置几何关系的环节），这样组成的控制回路，简称制导回路。

这个回路的主要功能是控制飞行轨迹，如飞行高度的稳定和控制。

超声速飞机问世后，飞行包线（飞行速度和高速的变化范围）扩大，飞机自身稳定性变坏。

例如，飞机自身的阻尼力矩在高空因空气稀薄而减小，阻尼比下降致使飞机角运动产生强烈的摆动，仅考驾驶员控制飞机较为困难。

为解决这类问题，飞机上安装了角速率陀螺，迎角传感器，法向加速度计等，它们和放大器，串联舵机组成阻尼器或增温系统，进而引入驾驶员的杆力/杆位移传感器信号，构成控制增稳系统，可以增大阻尼，改善动稳定性，增稳和控制增温系统还可增加静稳定性和改善操纵性。

飞机上安装了阻尼器和增稳系统，就好似成了一架稳定性能较好的新飞机。

从控制回路的分析和设计上看，阻尼器或增稳系统是自动驾驶仪（姿态角控制回路）的内回路。

但是，从工作方式上看，阻尼器或增稳系统与自动驾驶仪不同，阻尼器从飞机起飞就投入工作，这是驾驶员仍然直接操纵飞机。

自动驾驶仪则在飞机完成空中配平（指飞机力矩的平衡和杆力的平衡）后，才能接入。

此后驾驶员通过自动驾驶仪操纵台上旋钮或侧干操纵飞机。

增稳系统，控制增稳系统工作时驾驶员仍需直接参与，不符合自动飞行的定义，不属于自动驾驶仪的功能范围。

2.6自动驾驶仪的接通和脱开自动驾驶仪的适用范围是除起飞以外的所有飞行阶段。

当达到自动驾驶仪的接通高度并满足其他接通条件后，按下自动驾驶仪的接通电门即可接通自动驾驶仪。

有的自动驾驶仪能操纵飞机自动着陆，有的驾驶仪不能，这要根据安装在飞机上的自动驾驶仪的性能而定。

自动驾驶仪接通后，根据自动驾驶仪的工作方式。

飞行中根据飞行需要，可以转换操纵方式。

脱开自动驾驶仪的最常用方法是通过按压驾驶盘上的自动驾驶仪脱开电门来脱开，并解除其脱开警告信号。

在脱开自动驾驶仪时，飞行员一定要控制好飞机，以防出现意外。

另外，还有一些其他方法也可以脱开自动驾驶仪，如：断开自动驾驶仪接通电门进行脱开；向自动驾驶仪的俯仰、横滚和航向通道施加足够的力，人工强行脱开等。