飞行模拟机自动飞行控制系统设计

飞行模拟机自动飞行控制系统设计

自动飞行控制系统可以实现自动驾驶仪取代人工操作，是飞机飞行系统不可获取的组成部分，稳定飞机的各种姿态，降低了飞行员的工作量。介绍了自动飞行控制系统的组成、功能。通过俯仰、横滚通道的控制原理分析，设计相应的飞行控制律。利用软件实时仿真了某飞机的自动飞行控制系统；通过调试优化参数，能很好的模拟飞机的自动飞行过程。

标签：飞行模拟机；自动飞行控制系统；飞行控制律；PID控制器

1 自动飞行控制系统的组成及回路构成

自动驾驶仪、飞行指引系统、方向选择板、以及偏航阻尼器组成构成了飞机飞行系统的重要部件：自动飞行控制系统。

自动飞行控制系统的重要组成部分之一：自动驾驶仪由操纵装置、综合装置、测试设备、回输设备以及舵机构成，如图1所示。借助这些装置，自动飞行控制系统不仅能够实现自动配平、改平以及增稳的功能，而且能够在飞机飞行的时候稳定飞机的飞行速度、高度以及控制飞机的航向角、倾斜角以及俯仰角，此外在飞机自动着陆时，自动驾驶仪与仪表着陆系统相互配合，完成飞机的自动着陆。

飞机（被控对象）与自动驾驶仪构成一个稳定回路，该稳定回路主要是为了控制和稳定飞机的姿态，从而使飞机能持续稳定地飞行。自动飞行控制系统的具体组成如图2所示，描述飞机空间位置的参数、中心位置测量装置以及稳定回路构成一个稳定回路，在飞机的姿势发生改变时，各种测量装置测量飞机的姿态数据，这些数据将输出到自动驾驶仪，与此相对，如果要改变飞机的飞行姿态，自动驾驶仪将发出信号，控制飞机姿态的各种装置将接受这些信号，进而操纵飞机改变姿态，控制与反馈，不断调整，最终达到平衡。

方式选择板提供飞行员操作的按钮，选择飞行模式。主要模式为：高度保持、空速保持、下降模式、爬升模式、航向保持、导航模式、进近模式、半坡度模式。这些工作模式都是为飞机纵向运动和横向运动姿态控制提供引导量值。这些量值同时也显示在飞行指引仪表上，作为飞行员的引导量。这样，飞行员既可以选择”手动”操纵，也可以选择自动驾驶仪工作。方式选择板的功能是通过逻辑实现的。飞行控制逻辑是整个软件系统的指挥中枢，它保障整个控制系统的稳定可靠的运行。

2 自动飞行控制系统功能

飞机要是实现自动飞行、无人操纵的目的就必须借助自动飞行控制系统，在自动飞机控制系统中，飞控计算机根据自动驾驶仪传输过来的控制信号，判断出目前所选的有效飞行模式、横滚通道，进而计算出飞机需要飞行的俯仰角度、副翼偏转角度，输出滚动角指令信号，从而实现自动驾驶仪设置的飞行模式。

3 自动飞行控制系统控制律设计

飞机自动飞行系统是个复杂的系统，不断的控制、反馈与调整，最终实现飞机的自动飞行。自动飞行系统的核心是飞行控制律的拟合，拟合的好坏直接关系到飞行控制的性能。飞机要是实现自动飞行，首要的任务是要知道目前的飞行状态数据，在获取这些参数后，自动控制系统还需要输出相应的控制信号，从而调整飞机的飞行参数，实现预设飞行状态。控制律就研究输入与输出之间的规律，从而使控制越来越精准。

飞行自动控制系统可以工作在多种模式下，但无论在哪种模式下。对纵向的控制就是调整飞机目前状态与基准状态的偏差，这种偏差的调整是通过调整一系列参数来实现的，这些参数包括：空速、阻力、升力、仰角、迎角。这些飞行参数并不是独立的，而是相互制约相互影响，其基本关系是当仰角增加的时候、升力增加，与此同时飞行的阻力增加，进而飞行速度减低，因此当飞机的飞行高度高于基准线时，应该使飞机下俯，当飞行速度高于标准速度时就应该上仰，从而降低飞行速度。

飞机自动飞行控制系统通过控制飞机的滚转角来实现对飞机航向的控制，在横滚飞行方式下具有以下集中工作模式：半坡度模式、航向保持与导航模式、航向模式、横滚模式、导航模式以及进近模式。如果飞机飞行偏离预定的飞行航向，自动飞行控制系统会发送信号给副翼，进而使飞机倾斜，产生侧力，使飞机回到基准航向。在自动飞行时，飞机的重心容易偏离给定的航道，航迹控制模式下，自动控制系统就是通过使飞机倾斜以获取侧向力，改变飞机的速度向量，最终将飞机的中线保持在预定的航线上。

飞行高度的稳定与控制在飛机编队、巡航、进场着陆、地形跟随等飞行中具有十分重要的作用。

为解决高度保持时超调及到目标高度时不稳定问题，则设计高度保持控制律为：

它主要是以俯仰角稳定系统为基础，采用串级控制，俯仰角稳定系统为内回路，高度保持系统为外回路，当有高度偏差产生时，偏差信号通过增益输入到俯仰角稳定系统作为PID控制器的设定值，再通过俯仰角稳定系统计算输出至升降舵模型软件，通过舵面偏转来改变俯仰角，从而使飞机高度发生改变。

当飞机飞行高度低于预定高度时，高度偏差为正，经过PID控制器运算，输出的俯仰角给定值为正。此时，俯仰角偏差则为负，经过PID控制器运算，输出的升降舵指令为负值，升降舵向上偏转，飞机处于爬升状态，飞到预定高度。这说明了该高度保持控制律的极性符合实际控制要求。

然而，当飞机预定高度改变时，该控制律是否很准很快很稳的把飞机控制到指定高度，就需要经过多次试验，调整PID参数及增益。在该飞机模拟机中，

选中高度保持模式，改变飞行高度，通过仿真发现，飞行高度在到达预定高度时超调量极小，并且很好的稳定在目标高度。解决了超调及不稳的问题。因此，该高度保持控制律符合控制要求。

参考文献

[1]吴森堂.飞行控制系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005（9）.

[2]绍荣士.自动飞行控制系统设计技术[Z]，2000.

[3]王江云.飞行仿真器自动飞行系统研究[J].系统仿真学报，2006.