飞行力学与控制10：飞机姿态控制.ppt

第六章 飞机姿态角运动的控制 引言 6.1姿态角控制器结构 6.2姿态角控制器设计示例 6.3操纵系统与自动驾驶仪控制方式 引言 回顾:纵/横向阻尼器.SAS,CAS是为了改善飞机的稳定性和操纵性,作用改善飞行品质.其系统工作方式属于全时工作 本章:纵/横向俯仰角,滚转角和航向的控制,是为了替代驾驶员的部分工作,减轻长途飞行的疲劳,是自动驾驶仪的基本组成部分.自动驾驶仪的工作模式由驾驶员选择. 自动驾驶仪是在阻尼器基础上发展而来的. 控制器设计的目标和方法(俯仰为例): 1)抑制长周期模态; 2)构成高度控制器,实现纵向航迹的控制 自动驾驶仪的基本功能 稳定模式:飞机自动保持原来的姿态角, 俯仰姿态控制器结构 由结构变换实现电传形式 滚转姿态控制器结构 航向角控制结构 6-2 Example:Pithch-Attitude-Hold Autopilot 自动驾驶仪按比例反馈,系统响应存在稳态误差 为了消除稳态误差,采用PI控制 控制器设计步骤总结 设计阻尼器满足飞行品质要求 设计理想自动驾驶仪反馈增益,满足动态响应; 综合设计补偿器,满足稳态精度,飞行品质及动态响应. 6.3 操纵系统与自动驾驶仪控制方式 自动驾驶仪的控制方式,取决于控制系统的技术(例如:机械式还是电传),以及驾驶员和控制器的功能分配.所以有很多形式. 由于飞机的操纵系统是由常规手动操纵演变而来的,而且驾驶员可以选择自动驾驶还是人工操作,所以与手动操作一致. 因此,需要首先了解驾驶员操纵的几种基本的操作方式. 驾驶员干预与自动器层次关系 2. 三种基本控制方式 a) 阻尼器方式: b) 自动驾驶仪方式 c)电传操纵方式 3. 操纵系统布局形式 不带自动器的操纵 阻尼器辅助的人工操纵 电传操纵 自动驾驶仪工作的操纵 不带自动器---升降舵 不带自动器---全动平尾 不带自动器---带助力器 阻尼器辅助的人工操纵-并联 电传操纵 1)系统简单 阻尼器伺服机构,自动驾驶仪伺服机构和舵面的操纵机构综合为一个伺服操纵机构.去掉控制器伺服机构间的机械信号混合机构,把这些功能汇总在计算机中. 2)通过主操纵元件预置引导量 驾驶杆预置引导量,驾驶员和控制器都在前向通道,驾驶员通过控制器操纵飞机.不再需要大的操纵力,用侧杆来取代中央杆或驾驶盘. 更方便驾驶员和控制器之间的协调,更好的满足驾驶员的意愿. 能在更广泛的范围,通过控制器来改善和统一飞机的特性,甚至能模拟一架其它的飞机特性,类似空中飞行模拟器. 3)控制功能集成化 各类控制器可以统一协调,以前的那些纵向运动,横侧运动的单个调节器或自动驾驶仪,自动油门等,都能简单的实现集成. 可靠性问题:在电传操纵的开始,保留了机械操作系统. 自动驾驶仪工作的操纵 全动平尾 战斗机常用,平尾实现操纵,配平电机和弹簧(千斤顶,screw jack) 承担稳态操纵面载荷,并改变零杆力点,使驾驶员围绕零点操纵. 人感系统 驾驶杆力用液压助力器来减小,或完全替代, 操纵面的感觉消失,用人感系统来为驾驶员 提供力的感觉.(人感系统经历了机械,被动,主动) 并联形式:差动摇臂迭加驾驶员和阻尼器的输出, 弹簧的作用:1)产生人工感力;2)避免阻尼器的输出 对驾驶杆的反作用. 特点:1)系统简单 2)通过主操纵元件预置引导量 3)控制功能集成化 * * * 方式:在阻尼器的基础上,添加外回路反馈俯仰角. 设计的目标,具有小的稳态误差,又有良好的瞬态特性. 为了实现该目标需要增益和动态补偿器. 系统综合的方法:先设计内回路,再设计外回路. 给定变化的航向(或俯仰角),使飞机自动改变航向, 并稳定于该航向. 作为航迹控制器的组成部分 姿态控制的一般结构 内回路阻尼器,外回路姿态角控制 6. 1 姿态角控制器结构 忽略陀螺快响应 机 人 自动驾驶仪 控制器在前向通道,自动驾驶仪构成的闭环系统 与人机闭环系统结构一致. 电传操纵:控制器及信号综合集成,由计算机承担. 阻尼器回路为快回路,体现力矩变化;外回路相对较慢,力的变化. 带阻尼器的升降舵输入俯仰角输出的传递函数 舵机时间常数0.1 闭环后 暂不看小的根,阻尼器反馈主要影响短周期和舵机根轨迹, 短周期阻尼增加,但过大的反馈增益会引起本体模态与控制 系统及结构模态的耦合 加积分后,又带来新的副作用:消弱了阻尼器的作用, 为此,在动态补偿器中加了新的零,极点. .(新的零极点的作用同学课下讨论) 其中-0.2零点的选择是为了将该零点设置在两个本体零点的中间, 以实现根的合理走向.(同学课下讨论) 闭环传递函数 还可以通过补偿器消除零点,消除超前引起的振荡 1.驾驶员与自动驾驶仪的关系 早期(机械操纵)的人机控制系统的特征 飞行品质要求的满足主要依赖气动外形特性设计 涉及驾驶员特性的操纵指标