飞机飞行控制

com
杆位移
舵偏角
运动参数
飞行员
控制系统
飞机本体
－
Fs
e
内环
外环
测量及显示
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传递函数
➢ 线性系统 ➢ 零初始条件下拉氏变换 ➢ 输出量比输入量 ➢ 优点：
将时域转换成频域 将微分方程转换为代数方程
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弹簧振子系统
Fy F k y f y m y y f y k y F( y)
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
螺旋模态
b>0
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Gsinf>0
f>0
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
➢ 1920年以后，飞
机的稳定性靠外 形布局及重心定 位来保证。
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第一代战斗机
➢ 多采用后掠翼布局 ➢ 武器以航炮为主
➢ 作战方式以尾后攻击为
主
➢ 超音速
➢ 操纵系统为机械传动方
式
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典型杆式操纵机构
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第二代战斗机
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三角翼、后掠翼 武器：第一代空空导弹
作战方式：视距内、尾 后攻击 M>2，H>20000m 操纵系统大量采用：
➢ 助力器 ➢ 马赫数配平机构 ➢ 增稳器 ➢ 阻尼器 ➢ 电液系统
典型助力器及力臂调节器
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第三代战斗机
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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：
飞机综合评估
发动机……
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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
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背景知识
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控制过程的描述
➢ 飞行控制（驾驶员操纵飞机）过程的物理描述
开环操纵
飞行员
杆位移 Fs
闭环操纵
控制系统
舵偏角 e
飞机本体
运动参数
➢ 控制增稳系统 ➢ 自动驾驶仪
典型电传飞控系统
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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……
作战方式：？
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驾驶员 vs 飞行控制系统
➢ 驾驶员的缺点
有限的反应速度 有限的感知能力 会紧张、疲劳
➢ 驾驶员的优点
典型二阶环节 S 2 2S 2 0 特征根
j 1 2
矢径为，矢径越长，频率越高
cos ，越大，阻尼比越大
C A
Im
B
1 2
Re
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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）
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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
(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
mm m
y
f
k
m
F
(S2 f S k )Y(S) F(S)
mm
m
零初值拉氏变换
G(S) Y (S) F(S) S2
1 f S k
S2
1
2S
2
mm
k , f
m 2 mk
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弹簧振子的振荡成因
形成振荡的因素决
f
定了系统频率
频率
弹簧的 位移扰动
恢复力
弹簧系数k
阻尼
阻尼力 阻尼系数f
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
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Real Axis
根轨迹分析
➢ 每一对共轭复根表示一
个振荡模态
➢ 每一个实跟对应着一个
非周期（单调）模态
➢ 虚轴上的特征根， =0，
等幅振荡
➢ 左半平面的根对应着收
敛的模态，右半平面发 散
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Im Re
Im Re
根轨迹分析
学习能力 应付意外的能力
➢ 飞行控制系统：在飞
行过程中，利用自动 控制系统，能够对飞 行器构形、飞行姿态 和运动参数实施控制 的系统。
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本课程的目的
➢ 飞机引入飞行控制系统的飞行力学机理：
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：
Mq
以Xu为主
偏航阻尼导数等
Nr、Yb
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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)
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)
x
k
m
阻碍振荡的因素决 定了系统阻尼
n
k m
, n
f 2m
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纵Hale Waihona Puke Baidu模态的物理成因
长周期
阻尼
频率
V Xuu
L G
,
(C
Laa
)
G sin
a>0
阻尼
M Iy
, (Maa )
q
频率
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Mq 短周期
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
飞机飞行控制
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绪论
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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。
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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。
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；
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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
➢ 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
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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
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。