第四章自动驾驶仪及控制规律

e
U


L2 测量元件
K f (S )
反馈元件
U Z 0 n L0 ( g ) L2
L1 L2 e ( g ) L ( g ) L Kf Kf

G （ S）
主控信号：
L ( g )
第一节 基本组成与职能
一、基本组成
六大组成： 给定元件、测量元件、综合装置、 放大元件、执行元件、反馈元件。
一套完整的直升机自动驾驶仪一般由俯仰通道，倾斜通道， 航向通道和总距通道四个通道组成。 每个通道的舵回路是自动驾驶仪的核心。 自动驾驶仪的控制规律以舵回路的控制规律为基础。
二、基本职能

从静差看，L须选的大。 为了保证原始精度，使系统选取较大的L值时，仍 具有良好的动态品质，引入俯仰角速度反馈。
引入俯仰角速度信号的自动驾驶仪
e L ( g ) L


L

俯仰角速度 信号传动比
自动倾斜器的动作比 只有角信号时提前了。
不仅不会产生严重振 荡，还缩短了恢复初 态的时间。同时，为 增大主控信号L ， 尽量减小俯仰角稳态 误差创造了条件，但 不可能彻底消除误差， 成为有差控制系统。
放大器忽略惯性，舵机简化为 惯性积分环节
反馈元件
K f (S ) 为舵回路反馈元件--位置反馈
K1 放大器增益
g
K1
U g U
K2 S (T S 1)
直升机
U
Uf
K2
K 2 舵机增益
T
舵机时间常数
U
B1S K3 S TS 1
Kf
K1
e 纵向周期变距增量
U Z0U 舵回路综合输入信号
一、比例式控制规律 舵机输出量（自动倾斜器的偏转角）在自动驾驶仪 控制下与各输入信号之和（综合信号）成正比，此类 控制规律称比例式控制规律。 具有比例式控制规律的自动驾驶仪成为比例式驾驶 仪。
基本控制方案
U Z 0U
K1
K2 d S (T S 1)
自动倾斜器 操纵杆

e
K f (S )
第四节 侧向角运动控制基本工作原理

侧向角运动包括滚转运动和偏航转动。 滚转角和偏航角的控制分别由滚转通道和航向通道来实现。
一、滚转角自动控制原理
绕直升机纵轴的常值干扰力矩一般不大，故滚转通道往往采用 与俯仰通道相似的控制规律，各信号作用类似。 比例式控制律： L ( ) L
U U f 反向恢复
过程分析

仅有角位置信号的自动驾驶仪
e L ( g )
俯仰角控制静态情况 对于瞬时干扰，驾驶仪稳定俯仰角不存在原理静差， 但对常值干扰则存在静差，修正力矩与常值干扰力矩 平衡时：
my e my
e
my L jc my
jc m y L m y
传递函数
K K 1 2 e e (S ) T S 1 K1K 2 K f U ZON U ( S ) 1 T S 1
K1K 2 (1 K1K 2 K f ) K1K 2 T S T S 1 K1K 2 K f 1 1 K1K 2 K f 1 e U ZON e 1 U ZON Kf S Kf
给定装置
U
g
测量元件
U
U
1
放大器
ZON
舵机
d
e
操纵杆系

e
速度反馈 测量元件
U
n
直升机
1 (u1 u2 ...... un ug ) Kf

三、比例加积分控制规律
U zon
K1
d K2 S (T S 1)
Kf Te S 1
Kf
1 T S 1 e Kf Te S d (S ) T 1 U zon S2 S 1 K1 K 2 K f K1K 2 K f
1 e U Z0U Kf
只要满足条件：
K1K2 K f 1
K1K2 K f T
自动倾斜器偏转角与综合信号成正比关系，比例系数 是位置反馈系数的倒数。
比例式自动驾驶仪
g
L1
U
U
g

L1




U Z 0U
K1
d K2 S (T S 1)
自动倾斜器 操纵杆


a L L


r K K


c KH H
操纵量与控制信号成比例，即为比例式驾驶仪。
二、积分式控制规律
舵机输出量（自动倾斜器的偏转角速度）在自动倾斜器 作用下与各输入信号对时间的积分之和（综合信号）成正 比，此类控制规律称为积分式控制规律。 具有积分式控制规律的自动驾驶仪称为积分式驾驶仪。
以上结论也适用于滚 转通道，偏航通道。
二、积分式自动驾驶仪控制俯仰角
基本工作过程
e L ( g )dt L L


积分式自动驾驶仪俯仰通道原理框图
过程分析
仅有角速度信号 ：

L 在比例式中起阻尼作用，在积分
式作为主控信号与比例式中的角位置 信号同等作用
反馈信号不是与自动倾斜器的偏转成正比，而是与其
偏转角速度成正比。测速电机输出与转子转速即自动 倾斜器的偏转速度成正比。 反馈信号与俯仰角偏差信号的差值，取决于自动倾斜 器的偏转角速度。
基本控制方案
L1 Uzon K1
K2 S (T S 1)
操纵杆系
e
Kf S
L1 G(S)
积分式控制律舵回路反馈元件为测速反馈
舵机
U ZON


放大器
K1
K2 T S 1
1/S
d e
操纵杆系
e


L2
U
L3/L2
微分器

Kf
测速电机 直升机
G(S)
U ZON (U U



U



U g ) L1 ( g ) L2 L3
一、比例式自动驾驶仪控制俯仰角 基本工作过程
e L ( g ) L pc
受扰动产生俯仰角变化，
e L 产生抑制抬头力矩
Uf
U
U U f
自动倾斜器前倾
电 位 计 动 态 过 程 忽 略 不 计
U U f 停止前倾

自动测量直升机的飞行状态参数。 将所测结果与给定（初始）状态比较，求出偏差。 将偏差信号转换成能推动自动倾斜器偏转的信号，操纵旋 翼锥体按一定的规律倾斜，使直升机控制到给定状态/恢 复到初始状态。
[例] 驾驶员操纵作等速水平飞行
第二节 基本控制规律


自动驾驶仪的输入信号（综合信号）与舵机输出量（自动倾 斜器的偏转角度或角速度 ）之间的函数关系，称为自动驾 驶仪的控制规律。 控制律设计方法很多，对自动驾驶仪控制律设计而言可归纳 为两种基本类型：比例式、积分式。

辅助信号： L

一般形式比例式控制规律（控制性能改善）
给定装置 测量元件 测量元件
u1
ug
u2
放大器
舵机
操纵杆系

un
位置反馈
测量元件 直升机
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1 (u1 u2 ...... un ug ) Kf
A 34 B 型自动驾驶仪稳定状态控制规律
e L L
第四章 自动驾驶仪及控制规律
自动驾驶仪是一种能够稳定和控制直升机运动状态的 自动控制装置。 是一个能保持直升机姿态，辅助驾驶员(有人)控制直 升机航迹的自动调节设备。
直升机的自动驾驶仪一般有四个通道，分别由油门、变 距杆+自动倾斜器和尾桨变距机构控制。 控制通道是4个，可操作的对象有3个，其中自动倾斜 器实现总距、纵向周期变距和横向周期变距。



相当于比例式控制规律中的角速度信号，起阻尼作用， 使自动倾斜器的角速度动作相应提前。 引入角位置信号
L ( g )


消除常值力矩作用下的静差。当常值干扰力矩作用 达到稳定时，需要自动倾斜器保持一定的偏转角来 平衡，这一偏转角不是直接由角位置偏差来提供， 而是通过积分来获得。
a

g
g
L L



U
g

U


U
Z 0U
K2
K 3 d S (T S 1)
K f (S )
自动倾斜器 操纵杆
a
U
L



测量元件 反馈元件
比例式自动驾驶仪结构图
G(S)
积分式控制律：
a L ( g )dt L L
e
e
静差 jc与L成反比，要 求静差小时，L须选的大。
俯仰角控制动态过程
俯仰平衡条件
LpwYpw TxY Ty X 0
当干扰作用时，自动驾驶仪测得俯仰角，使自动倾斜器前倾。 Tx加大 TxY加大抑制上仰恢复到原状态。
L不同，过渡过程呈现不同形式
从稳定性看，L不能太大。
操纵杆系假定为1时，通道传递函数为：
e e ( s ) K1K 2 / S (T S 1) U Z0U U ( S ) 1 K1K 2 K f / S (T S 1) K1K 2 2 T S S K1K 2 K f 1 Kf T 1 S2 S 1 K1K 2 K f K1K 2 K f
稳定过程中控制信号U由角位置信号、角速度信号和 角加速度信号三者合成。
U L ( g ) L L


达到稳定时 e L ( g )dt C
时间响应定性分析


角位置信号可使积分式 自动驾驶仪消除稳态误 差――无差控制系统。 工程实际：若角速度陀 螺存在一定的不灵敏度， 此时又无角位置信号作 用，则当直升机姿态角 发生缓慢偏离时，角速 度陀螺无信号输出，则 随时间的积累，会导致 大的误差。换而言之， 若无角位置信号，积分 式自动驾驶仪便无法检 验直升机是否按要求的 姿态飞行。

L L1 / K f
自动倾斜器纵向偏转角与俯仰角偏差的积分成正比。
仅有角位置信号的积分式驾驶仪难以稳定工作。为 了改善其稳定性 ，在引入角位置主控信号外，一般 还引入一些辅助信号，如角速度、角加速度信号。
纵向通道积分式驾驶仪
g
给定装置
U

L1
垂直陀螺 U
g
g

L1
速度装置 U



e L ( g ) L L

L L1 / K f

e L ( g )dt L L

L L2 / K f

L L3 / K f

传 动 比
一般形式积分式驾驶仪

L

自动倾斜器偏转角速度 与俯仰角速度成正比。 如当直升机受扰动后 上仰，角速度陀螺输 出俯仰角速度，自动 倾斜器以相应的角速 度向前偏转产生恢复 力矩，使直升机向原 状态恢复。当俯仰角 速度信号改变符号， 自动倾斜器也随之改 变转动方向。

引入角加速度信号
L


积分式自动驾驶仪结构图
AII-34B型自动驾驶仪滚转角控制原理
g
倾斜 同步 发送 器 补偿 传感 器 倾斜 同步 接受 器 位置反馈 自 动 a 直 倾 升 斜 机 器
放 大 器
舵 机
限 幅 器
角速度陀螺仪 驾驶杆 驾驶员
只要满足条件： K1K2 K f 1
1 Te S 1 1 1 ( s) Kf Te S K f K f Te S
K1K2 K f T
时间常数较大，几秒～十 几秒。操纵量由控制信号 的比例加积分量决定。
第三节 纵向角运动控制基本工作原理

自动驾驶仪控制纵向角运动--俯仰角自动稳定与操纵
只要满足条件： K1K2 K f 1
K1K2 K f T
速度反馈，舵机的时间常数减少了 1 K1K2 K f 倍
综合信号由测量和设置得到
U ZON L1 ( g )
e L ( g )
e L ( g )dt