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自动飞行控制系统设计

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第一部分自动飞行控制系统组成及原理 2

第二部分航路追踪控制系统设计 5

第三部分高度保持控制系统设计 8

第四部分速度控制系统设计 11

第五部分姿态控制系统设计 14

第六部分稳态特性分析与优化 17

第七部分稳定性分析与验证 20

第八部分飞行包线及限制 23

第一部分自动飞行控制系统组成及原理

关键词

关键要点

自动飞行控制系统组成

1.传感系统：感知飞机姿态、速度、加速度等状态信息的传感器，例如惯性导航系统、空速管、加速度计等。

2.控制律算法：根据传感数据计算飞机控制指令的算法，例如飞行控制律、导航律等。

3.执行机构：响应控制指令调节飞机控制面的机构，例如襟翼、舵面、发动机等。

自动飞行控制系统原理

1.反馈控制原理：系统通过传感器获取飞机状态信息，与期望状态进行比较，根据误差计算控制指令，反馈调节飞机运动。

2.稳态特性：系统在受到扰动后恢复到稳态的能力，包括稳定性、响应时间等。

3.动态特性：系统在受到扰动后过渡到稳态过程中的响应特性，包括振荡衰减、过冲等。

自动飞行控制系统组成及原理

自动飞行控制系统（AFCS），又称自动驾驶仪，是一种控制飞机自动飞行的系统。它通过传感器感知飞机状态，并利用控制器调节操纵面和动力装置，以保持飞机的稳定、操纵和导航。

#组成

AFCS通常由以下主要组件组成：

*传感器：测量飞机的状态，包括姿态、速度、高度、加速度等。

*控制器：基于传感数据，计算操纵面和动力装置的所需调整量。

*执行器：将控制器的输出转换为物理动作，调节操纵面和动力装置。

*计算机：处理传感器数据、运行控制算法和控制执行器。

#原理

AFCS的基本原理是反馈控制环路：

1.感知：传感器测量飞机的状态并将其转换为电信号。

2.比较：控制器将传感数据与期望值（如航向、高度、速度等）进行比较，并产生误差信号。

3.计算：控制器根据误差信号和控制算法，计算需要调整的操纵面和动力装置量。

4.动作：执行器将控制器的输出转换为物理动作，调节操纵面和动力装置。

5.闭环：调节后的操纵面和动力装置改变飞机的状态，从而减少误差信号并使飞机接近期望值。

传感器

AFCS中常用的传感器包括：

*惯性导航系统（INS）：测量飞机的姿态、角速度和加速度。

*空速表：测量飞机相对空气的速度。

*高度表：测量飞机相对于地面的高度。

*GPS接收器：接收全球定位系统卫星的信号，确定飞机的位置。

*气流传感器：测量飞机周围空气的速度和方向。

控制器

AFCS中的控制器通常采用以下控制算法：

*比例积分微分（PID）控制：根据误差信号的比例、积分和微分项计算控制输出。

*状态空间控制：将飞机系统建模为状态方程，并利用状态反馈律设计控制器。

*最优控制：根据性能指标（如最小能耗、最佳飞行轨迹等）设计控制器，以优化系统性能。

执行器

AFCS中的执行器负责将控制器的输出转换为物理动作。常用执行器包括：

*伺服电机：调节操纵面的位置和速度。

*液压执行器：调节动力装置的推力或阻力。

*电磁制动：用于防滑刹车或稳定飞机姿态。

计算机

AFCS中的计算机负责处理传感器数据、运行控制算法和控制执行器。计算机的性能和可靠性对于AFCS的整体性能和安全性至关重要。

系统功能

AFCS提供以下功能：

*航向保持：自动保持飞机预定的航向。

*高度保持：自动保持飞机预定的高度。

*速度保持：自动保持飞机预定的速度。

*自动着陆：引导飞机自动着陆。

*自动起飞：辅助飞机自动起飞。

*航线控制：根据预设航线自动驾驶飞机。

*应急模式：在紧急情况下，接管飞机控制并将其引导至安全状态。

安全性

AFCS的安全性至关重要。为了确保安全性，AFCS通常采用冗余设计、故障检测和容错机制。冗余是指使用多个传感器、控制器和执行器来备份系统，以防止单点故障。故障检测和容错机制负责检测和处理系统故障，并采取措施将飞机引导至安全状态。

术语解释：

*伺服电机：一种由电信号控制的电动机，可提供准确且响应迅速的运动。

*液压执行器：一种利用液压原理产生力和运动的装置。

*电磁制动：一种利用电磁场产生阻力的装置。

*冗余：一种设计方法，通过使用多个组件来备份系统，以提高可靠性。

*故障检测和容错：一种机制，用于检测和处理系统故障，并采取措施将系统恢复到安全状态。

第二部分航路追踪控制系统设计

关键词

关键要点

航路追踪控制系统性能指标

1.航路跟踪误差：衡量飞机与预定航