飞机飞行控制系统

飞机飞行控制系统

飞行控制系统(简称飞控系统)的作用是保证飞机的稳定性和操纵性，提高飞机飞行性能和完成任务的能力，增强飞行的安全性和减轻驾驶员的工作负担。

3.4.1. 飞行控制系统概述

飞控系统分类

飞控系统分为人工飞行控制系统和自动飞行控制系统两大类。由驾驶员通过对驾驶杆和脚蹬的操纵实现控制任务的系统，称为人工飞行控制系统。最简单的人工飞行控制系统就是机械操纵系统。不依赖于驾驶员操纵驾驶杆和脚蹬指令而自动完成控制任务的飞控系统，称为自动飞行控制系统。自动驾驶仪是最基本的自动飞行控制系统。

飞控系统构成

飞控系统由控制与显示装置、传感器、飞控计算机、作动器、自测试装置、信息传输链及接口装置组成。控制及显示装置是驾驶员输入飞行控制指令和获取飞控系统状态信息的设备，包括驾驶杆、脚蹬、油门杆、控制面板、专用指示灯盘和电子显示器(多功能显示器、平视显示器等)。传感器为飞控系统提供飞机运动参数(航向角、姿态角、角速度、位置、速度、加速度等)、大气数据以及相关机载分系统(如起落架、机轮、液压源、电源、燃油系统等)状态的信息，用于控制、导引和模态转换。飞控计算机是飞控系统的“大脑”，用来完成控制逻辑判断、控制和导引计算、系统管理并输出控制指令和系统状态显示信息。作动器是飞控系统的执行机构，用来按飞控计算机指令驱动飞机的各种舵面、油门杆、喷管、机轮等，以产生控制飞机运动的力和力矩。自测试装置用于飞行前、飞行中、飞行后和地面维护时对系统进行自动监测，以确定系统工作是否正常并判断出现故障的位置。信息传输链用于系统各部件之间传输信息。常用的传输链有电缆、光缆和数据总线。接口装置用于飞控系统和其他机载系统之间的连接，不同的连接情况可以有多种不同的接口形式。

图3.4.1 飞行控制系统基本原理

飞控系统基本工作原理

除个别的开环操纵系统(如机械操纵系统)外，所有的飞控系统都采用了闭环反馈控制的工作原理。图3.4.1是通用的飞控系统基本工作原理框图。在人工操作飞机飞行时，驾驶员通过驾驶杆、脚蹬、油门杆的位移(或力)给出控制信号U0，经过飞控计算机控制率计算后给出控制指令U1。作动器已据此指令驱动相对应的舵面(或油门、喷口)产生位移，形成使飞机运动变量后转换为电信号U2，一路反传给飞控计算机，另一路输入显示装置，形成目视信息，供驾驶员读取。送给飞控计算机的反馈信号与驾驶员给出的控制信号相比较，当飞机的运动变量与驾驶员的控制目标值相等时，两种信号的代数和( U)为零，飞控系统不再输出

驱动指令，飞机按照驾驶员要求的状态飞行。在自动飞行控制的情况下，驾驶员通过控制面板上的模式选择按钮(或开关、旋钮、键盘等)，给出控制模式要求，飞控系统就会自动控制飞机按照给定的模式飞行，基本控制过程和原理与人工控制飞行时相同。这时，驾驶员只需监视显示信息，不需要对驾驶杆等装置进行操作。

3.4.2 自动飞行控制系统

自动飞行控制系统由自动驾驶仪、自动油门杆系统、自动导航系统、自动进场系统和自动着陆系统、自动地形跟随/回避系统构成。

自动驾驶仪

顾名思义，自动驾驶仪是用来代替驾驶员操纵飞机的自动控制系统。它由控制显示面板、传感器、自动驾驶仪计算机和舵面作动器组成。自动驾驶仪的传感器信息主要来自航空电子系统的航向/姿态参考基准、高度和高度差信号。它的主要功能是航向角、姿态角的给定和保持以及飞行高度(包括气压高度和相对高度)的给定和保持。在长时间的稳定飞行(如巡航)中使用自动驾驶仪控制飞机，可以大大减轻驾驶员的工作负担。

自动油门杆系统

自动油门杆系统是一种经常与自动驾驶仪配合使用的系统。它通过驱动油门杆改变发动机推力而对飞机的飞行速度(或马赫数)进行自动控制。系统使用的传感器信息是大气数据计算机的飞行速度(或马赫数)信号。一般不具备独立的计算机而由自动驾驶仪计算机完成控制律计算。执行机构是油门杆作动器。自动油门杆与自动驾驶仪配合工作，可以精确控制飞机的航迹、姿态及飞行速度。这对于飞机的自动进场/着陆、自动地形跟随/回避以及四维制导飞行，都起着非常重要的作用。

自动导航系统

自动驾驶仪与导航系统交联，即构成自动导航系统。导航系统通过总线或其他装置(如飞行管理计算机)将飞机当前的位置和航向偏差信号送入自动驾驶仪计算机，由自动驾驶仪计算机形成并输出控制指令，将飞机的位置和航向调整到并保持在预先给定的航线上飞行。

自动着陆系统

着陆是飞行器航行中的一个重要阶段。着陆时，飞行员必须在很短的时间内完成许多要求很高的操作，若仅靠目视着陆，为保证安全，飞行员需要在很远的距离上就能清晰的看到跑道。以民航飞机为例，要求在飞行高度不低于300m时，水平能见度不小于4.8km。为了保证飞机能在夜间或不良气候条件下安全着陆，必须由无线电导航系统向飞行员提供飞行器与正确的下滑航道之间偏离程度的高精度指示。常用的进场和着陆导引系统有仪表着陆系统、微波着陆系统和精密进场雷达/数据链导引系统等。20世纪90年代以来，基于全球定位系统(GPS)的进场着陆导引技术发展迅速，将成为21世纪进场着陆导引系统的主流。自动着陆系统利用导引信号将飞机控制到预定航道，并沿着航道下滑和着陆。

目前民航机场主要使用的着陆无线电导航系统为仪表着陆系统(ILS，Instrument Landing System)和微波着陆系统(MLS，Microwave Landing System)。前者可引导飞机在I 类气象条件（水平能见度800m，决断高度60m）或II类气象条件（水平能见度400m，决断高度30m）下着陆(称为仪表着陆或盲目着陆)；后者可引导飞机在III类气象条件（水平能见度低于200m及其以下，决断高度0m）下着陆(称为自动着陆)。

对飞机自动着陆来说，仪表着陆和微波着陆系统都是使用非目视着陆引导设备，其基本原理都由机场上的仪表着陆和微波着陆系统在跑道上空形成下滑道，飞机上安装了相应的无线电接收机，当飞机处于预定下滑道上时，接收机输出信号为零；若飞机偏离下滑道，则接收机输出相应极性和幅值的信号。接收机输出的电信号通过自动驾驶仪操纵舵面(一般方向舵和升降舵)，使飞机进入下滑道。例如设飞机处于下滑道上方，接收机将输出反映上方