自动飞行控制系统

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2007.12
自动驾驶仪的两种衔接方式
指令方式CMD——飞行员通过方式控制板MCP 上的控制元件选择工作方式,输入控制指 令(航向、飞行高度、速度);A/P根据 输入的控制指令和各传感器的输入信号, 纵向通道和横侧向通道分别以不同的方式 工作,实现对飞机的自动操纵。
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纵向通道的工作方式
涡轮发动机飞机
第六章 自动飞行控制系统 AFCS
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第6章 自动飞行控制系统
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 自动飞行控制系统的组成和基本功能 自动驾驶仪(AP) 飞行指引(FD) 偏航阻尼系统(YDS) 俯仰配平系统(Auto Trim) 自动油门系统(ATS) 自动
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数字式AFCS的结构
80年代 AP/FD计算 机集成为 FCC。
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电子飞行控制系统EFCS的结构
电传操纵FBW——通过 电信号取代机械操 纵机构,实现对飞 机操纵面的控制。 飞行管理制导包络计 算机FMGEC——AP、 AD功能、偏航阻尼、 配平功能及失速、 超速等飞行安全极 限监控。 数字式发动机全权电 子控制系统 FADEC——利用计 算机实现对发动机 油门等的完全的自 动控制。
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6.4.3 偏航阻尼系统的组成
偏航阻尼计算机——用 于计算方向舵的偏 转量。 偏航阻尼伺服马达—— 用于驱动方向舵。 偏航阻尼器控制板—— 用于衔接或断开偏 航阻尼系统。 偏航阻尼指示——位置 指示、状态显示以 及警戒信息。 速率陀螺——用于探测 航向的变化率。
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偏航阻尼计算机
用于计算方向舵的偏转量。 带通滤波器——接受飞机的偏航信号,滤除正常的转弯信号。偏 航阻尼速率信号达到荷兰滚震荡频率才能通过滤波器。 速度补偿电路——接受大气数据计算机的空速信号,以根据空速 来修正方向舵偏转量。空速越大,方向舵的偏转角度越小。 协调转弯电路——接收由垂直陀螺或惯导系统的横滚姿态信号, 协调飞机的转弯。
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飞行管理系统FMS
在现代飞机上,利用飞行管理系统 FMS,可完成对飞机的全自动导航;提 供从起飞到进近着陆的最优侧向飞行轨 迹和垂直飞行剖面的计算,实现最佳飞 行。 FMS的输出信号加到AFCS,控制自动飞 行控制系统的工作,实现对飞机的制导 和推力管理;同时监测AFCS的工作,防 止飞机在不正常条件下的自动飞行。
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6.2.2 自动驾驶仪的的基本原理
自动驾驶 仪是一种闭 环控制系统。 其工作过程 为包含误差 敏感、误差 纠正和舵面 随动的闭环 控制过程。 自动驾驶 仪包含有内 回路和外回 路两个反馈 回路。

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自动驾驶仪的内回路
内回路——控制飞机的姿态。 内回路比较器将飞机的实际姿态与姿态指令 进行比较,产生姿态误差信号。姿态误差信号 通过伺服系统操纵飞行控制舵面,使控制舵面 相应偏转,实现对飞机姿态的控制。 实际姿态由IRU或垂直陀螺提供。 姿态指令来自于驾驶员选择的工作模式或外 回路。 伺服马达:液力、电动或气动。 速度适配电路:使飞机姿态变化一定量所需 的舵面偏转量与空速有关——空速较高时所需 的舵面偏转量小。
高度保持(ALTITUDE HOLD) 升降速度(垂直速度)(V/S) 高度层改变(LEVEL CHANGE) 高度截获获高度获得(ALTITUDE ACQUIRE) 垂直导航(V NAV) 下滑道(G/S) 复飞(GO AROUND)等。
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横侧向通道的工作方式
航向保持(HEADING HOLD) 航迹(TRACK) 水平导航(L NAV) VOR 航向道(LOC) 复飞(RWY TRACK)等。 横向和纵向的不同工作方式,对应于不同 的控制轨律。
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6.2 自动驾驶仪AP
6.2.1 自动驾驶仪的功用与组成 6.2.2 自动驾驶仪的基本原理 6.2.3 自动驾驶仪的工作方式
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6.2.1 自动驾驶仪的功用与组成
自动驾驶仪的主要功能: (1)自动保持飞机沿三个轴的稳定——保持姿态角; (2)按照飞行员的指令,自动操纵飞机达到指定的 航向、高度、升降速度、俯仰角等; (3)按照飞行员的设定,控制飞机按指定的航向、 预定的高度等飞行; (4)在FMC的控制下,执行飞行计划,按预定的 航线飞行; (5)与仪表着陆系统相耦合,实现飞机的自动着陆。
6.1 自动飞行控制系统AFCS的组 自动飞行控制系统AFCS的组 成和基本功能
系统的功用——自动飞行控制系统可在除 起飞的飞机的整个飞行阶段中使用:离 场、爬升、巡航、下降和进近着陆。 系统的组成:组件及简单结构。
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6.1.1 自动飞行控制系统AFCS的组成 自动飞行控制系统AFCS的组成
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6.1.3 AFCS的基本结构
AFCS的基本组成: 飞行控制计算机——计算控制指令。 控制板——(方式控制板MCP)是人机接 口,用于向计算机输入飞行员的控制指 令,如飞行方式、速度、高度等。 输出设备——将计算机产生的控制信号加 到飞行控制系统(通过舵机控制飞行操 纵面等),将显示信息输往显示器。
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6.2.3 自动驾驶仪的工作方式
通过三个控制通道分别控制飞机的副翼、升降陀和 方向陀: 俯仰通道——控制升降陀的通道(升降陀通道); 航向通道——控制方向陀的通道(方向陀通道); 横滚通道——控制副翼的通道(副翼通道)。 纵向通道——稳定和控制飞机的俯仰姿态、高度、 速度、升降速度等; 横侧向通道——因航向通道和横滚通道的信号交连, 统称为横侧向通道。横侧向通道稳定和控制飞机的航 向角、倾斜角、偏航距离等。 在不同的工作方式,通过对上述变量的控制,可实 现以下功能:姿态保持、高度保持、航向保持、自动 改平、复飞。
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偏航阻尼器控制板
偏航阻尼衔接电门的两个功能: 衔接和指示。
按下按键或扳到ON位——按键保持 在ON位且ON灯亮,系统正常工作。 选择OFF位或者探测到故障——INOP 灯或相应的指示灯亮,系统不工 作。 INOP灯亮的原因可能为: ——偏航阻尼电门在OFF位: ——探测到作动器故障; ——探测到作动器LVDT(线性可变差 动传感器)故障; ——没有一部惯导系统在导航“NAV” 位; ——探测到偏航阻尼组件故障。
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分离式飞行指引杆
十字指引杆 俯仰和横滚指引杆 (条形矢量)
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集总式飞行指引杆
八字指引杆 V字指引杆
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6.4 偏航阻尼系统YDS
6.4.1 偏航阻尼系统的功用
当飞机的方向平衡受破坏时,偏航阻尼系统利用偏转 方向舵产生的方向操纵力矩来平衡使机头偏转的力矩, 以保持飞机的方向平衡,从而抑制飞机绕立轴和纵轴的 摆动——“荷兰滚”。 偏航阻尼系统通过偏转方向舵: 将飞机由于荷兰滚所引起的航向偏差减至最小; 将阵风引起的侧滑减至最小; 将湍流引起的机体变形所导致的飞机振荡减至最小; 此外,还可提供飞机的转弯协调信号。
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自动驾驶仪的基本组成
传感器,测量装 置(IRU等)— —敏感元件; 信号计算处理装 置(计算 机)——计算 元件; 比较放大器—— 放大元件; 伺服系统(陀 机)——执行 机构; 控制显示装置— —显示元件。 2007.12
自动驾驶仪的部件功用
(1)传感器、测量装置—— 敏感元件,如IRU、垂直陀螺等。 敏感飞机的姿态,测量飞机的运动参数,并将其转换为电信 号输入AP。 (2)比较放大器——放大元件,比较输入基准指令与实时的测 量信号,产生、计算误差(控制)指令; 放大经信号处理元件处理后的信号(一般指功率放大),输 送给伺服系统。 信号处理元件——计算元件,把各种敏感元件的输出信号 处理为符合控制规律要求的信号; (3)伺服系统(陀机)——执行机构,根据放大元件的输出 的误差信号,产生操纵舵面的作用力,驱动舵面偏转机构, 亦称为舵面控制组件。 (4)反馈回路——利用传感器感受舵面的运动,反馈给比较 器,与基准信号相比较,不断修正误差信号,以使舵面的平 滑、准确地运动,实现控制要求。 (5)控制(显示)面板——用于向AP提供指令,完成系统的 接通/断开、工作方式的选择以及通告显示等。
速度、高度、航向、升降速度指令输入旋钮等。
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自动驾驶仪的衔接和脱开
衔接:到达接通高度、满足接通条件、按 下接通(衔接)电门。 接通后,可选取或转换工作方式。 常用脱开方式:按压驾驶盘上的脱开按钮 脱开A/P;擦作人工配平开关时也脱开; 人工强行脱开:向俯仰、横滚和航向通道 施加足够的力; 自动脱开:电源、液压等系统故障。 脱开时都会有脱开警告信号。
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6.4.2 荷兰滚
当机翼带 后掠角的 高速飞机受 到沿偏航轴 的侧风扰动 时,机体会 产生沿其立 轴和纵轴的 周期性摆动, 即飞机出现 左右偏航的 同时,伴随 着左右横滚 运动——“荷 兰滚”。
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荷兰滚的振荡
侧风扰动所导致的飞机飘摆运动的飞行轨迹呈立 体状“S”形,酷似荷兰人的滑冰动作,故被称为 “荷兰滚”。 “荷兰滚”不仅严重影响飞机的舒适 性,而且会对飞机的结构造成损伤。 荷兰滚的振荡周期约为4秒,即频率为0.25赫。 模态抑制功能—— 波音767-300等机身较长的后掠翼高速飞机,在飞 行过程中会产生机身的弯曲和摆动。偏航阻尼系统 利用摆动的信号来实现对这种机身结构模态震荡趋 势的抑制,以提高驾驶的操纵性和乘坐的舒适性。
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6.3 飞行指引仪FD
飞行指引仪的功用: 自动驾驶仪衔接前,为飞行员提供目视的 飞行指引指令; 自动驾驶仪衔接后,用以监控自动驾驶系 统的工作状态。 飞行指引仪的工作原理: 将飞机实际的飞行路线与目标路线进行比 较,得出进入目标路线所需要的操纵量,在指 引仪上采用简明的表达方式,直接显示出操纵 要求的指令:俯仰——向上还是向下、倾斜— —向左还是向右飞行。
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自动飞行控制系统AFCS由下列分系统组成: 自动驾驶仪(A/P)—既可用于控制飞行轨迹,也 可用于控制飞行速度 飞行指引仪(F/D) 自动配平系统 偏航阻尼系统(Y/D) 自动油门系统(ATS)
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6.1.2 AFCS的基本功能
自动驾驶仪A/P——可自动地控制飞机的飞行,减轻飞 行员的工作负担,还可实现飞机的自动着陆。 飞行指引仪F/D——在PFD或EADI上显示由计算机提供 的飞行指引指令,以使飞行员按照飞行指引杆的指引 驾驶飞机,或监控飞机的姿态。 偏航阻尼系统Y/D——改善飞机在政个飞行过程中的动 态稳定性。 自动配平系统——自动调整水平安定面,以在所有飞行 阶段保持飞机的俯仰稳定性。 自动油门系统ATS——自动控制发动机的输出功率,实 现最佳飞行,并减轻飞行员的负担。 偏航阻尼系统与自动配平系统合称为增稳系统。 可改善飞机的稳定性,提高安全性和舒适性。
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自动驾驶仪的外回路
外回路——控制飞机的航路: 外回路比较器将飞机的实际航路与设 计(计算)航路相比较,产生航路误差 信号。航路误差信号转换为内回路的姿 态指令,输入内回路,实现对飞机航路 的控制。
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关于姿态限幅器
姿态限幅器用于限制从外回路进入内回路的姿态指 令,以防止导致飞机进入危险倾斜或俯仰状态,保障 安全和舒适性。 多数飞机的倾斜限制为30°,可在5°至25°间调 节;飞机的俯仰限制为上仰25°,下俯10。
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方式控制板MCP 方式控制板MCP
各方式的控制板集成为方式控制板MCP。MCP上设置有: F/D衔接电门;左、中、右三个独立通道的自动驾驶衔接 电门;自动着陆多通道衔接的进近电门APP;自动驾驶的人 工脱开电门;速度、高度、航向、升降速度指令输入旋钮 等。
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方式控制板MCP
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自动驾驶仪的两种衔接方式
驾驶盘操作方式CWS(也称为飞行员操作方 式CCW)——飞行员通过驾驶盘发出的操 纵指令,转换为操纵信号输入FCC ;飞 行控制计算机FCC在飞行员操纵指令的控 制下,输出控制信号,驱动舵面运动, 实现对飞机的操纵。 在CWS方式,A/P只相当于飞行员进行 操纵的“助力器”;相当于电传操纵飞 机上的人工操作。
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