纵向控制增稳飞行控制律

纵向控制增稳飞行控制系统实验指导书

1. 实验目的

（1）理解并掌握飞行控制系统纵向控制增稳的工作原理、控制方法、主要控制参数设计等；

（2）掌握机械操纵系统、增稳系统、控制增稳系统的相关飞控知识； （3）熟练使用Matlab 仿真软件、FlightGear 仿真环境、网络数据通讯等基本工具进行数值仿真。 2. 实验内容

（1）数值仿真模型搭建 （2）模型认知与参数设置 （3）纵向控制增稳控制仿真 3、实验原理

（1）控制增稳控制律构型的设计

控制增稳控制律构型采用法向过载与经由高通滤波的俯仰角速率综合而实现。控制律如下：

,,e c z z c q

s k n n k q s b δ⎛⎫=-+ ⎪+⎝

⎭

（2）放宽静稳定性控制律设计

静稳定性补偿采用经低通滤波器输出的迎角反馈进行纵向静稳定性补偿，以保证系统静稳定性的同时，不影响动态响应性能。控制律如下：

,e c c

k s c

α

δα=-+

（3）中性速度稳定性控制律设计

中性速度稳定性控制律通过在前向支路过载指令与反馈信号综合处的下游加入比例积分控制律来实现。

综上得到最终的纵向控制增稳飞行控制律如下：

,,1e c z z c q a

s

c

k n n k q k s s b s c αδα⎛⎫⎛

⎫

=+-+- ⎪⎪++⎝⎭⎝

⎭

（4）基于FlightGear 的飞行仿真环境搭建

本文借鉴飞行模拟器的结构框架，设计的基于FlightGear 的飞行仿真系统的

总体结构如图所示。该系统主要由操纵输入设备、飞行仿真及虚拟仪表系统、通信网络和视景显示系统四部分组成，其硬件均采用常规商业产品，具有成本低廉，结构简单，构建方便，移植性强等优点，最重要的是它突出了飞行控制研究最关心的高效的飞行仿真和逼真的视景显示。

构建的基于FlightGear 的飞行仿真系统实物如图所示。其中，视景显示采用液晶显示器，根据需要可扩展为投影显示系统。

4. 操作步骤

（1）数值仿真模型搭建

在Matlab中打开Simulink组件，搭建纵向控制增稳控制律仿真模型，如图所示。

（2）模型认知与参数设置

双击其中每个Simulink 组件图标，弹出对话框后可设置参数，如图所示为放宽静稳定性控制律的参数设置对话框。

该实验给定了四种典型的系统状态点预设参数和一种自定义参数的设计。在典型状态点处，纵向控制增稳控制律的控制器参数设计可参考下表数据：

包线区域 状态点状态 控制器参数

Ⅰ H=500，M=0.177 2.6513,0.4787,0.0752q k k k α=== Ⅱ H=500，M=0.207 2.1636,0.0984,0.1118q k k k α==-= Ⅲa H=9000，M=0.593 1.6298,0.1378,0.1359q k k k α=== Ⅲb

H=3000，M=0.791

1.5,0.5,0.167q k k k α===

5、纵向控制增稳控制仿真

对于四种典型的系统状态点，给定预设的控制器参数，可对纵向通道控制增稳飞行控制律进行仿真。以区域I 为例，给定法向过载增量指令,0.1z c n ∆=，数值控制器参数值为 2.6513,0.4787,0.0752q k k k α===，飞机各状态变量的短周期响应过程如图所示。

n z ( g )

α ( ︒ )

22

242628θ ( ︒ )

H ( m )

V ( m /s )

0.168

0.170.1740.178

M

time ( s )

∆δ e ( ︒

)

time ( s )

∆δ l e f ( ︒

)

1

time ( s )

q ( ︒/s )

按照同样的方法，改变飞机模型为其他三种典型工作点，设置控制器参数，均可得到给定法向过载增量指令时的飞机各状态变量的短周期响应过程。

控制器参数设计需要注意：

（1）所设计的纵向控制增稳控制律对于规定的法向过载增量指令的控制精度要更高，全包线内均优于法向过载时间响应准则的要求。其它各状态变量的响应迅速而柔和，因而具有较好的短周期特性。

（2）舵面偏转增量较小，需要满足实际系统对用舵量的限制。

6、实验思考题

（1）解释采用法向过载与经由高通滤波的俯仰角速率综合的控制增稳原理是什么？其优势在哪？

（2）解释采用迎角反馈进行纵向静稳定性补偿的基本原理是什么？ （3）设计的控制增稳飞行控制律是如何保证中性速度稳定的？

（4）根据设计的控制增稳飞行控制律，分析系统的幅值裕度和相角裕度，

是否满足国军标要求？