先进飞行控制系统》绪论

先进飞行控制系统陈澜《飞行控制系统》吴森堂主编绪论本课程内容安排飞行控制系统飞行器的基本分类及特点航空航天事业发展绪论飞行器是航空飞行器和航天飞行器的通称，它是飞行控制系统的控制对象。在学习、了解飞行控制技术时，首先应当对飞行器有所了解。众所周知，陆地为地球表面未被海水浸没的部分；海洋为地球表面广大的连续海水水体；大气层指地表以外包围地球的气体。这种气体在距地表数千千米的高层上仍有极少量存在。按照距地球高度划分通常大致可以把100－120千米以下的大气层称为稠密大气层，也称为大气环境或人类的第三环境；而100－120千米以上地球稠密大气层之外的广阔的空间区域，简称空间或外空，又称为宇宙空间或太空。绪论在1981年召开的国际宇航联合会第32届大会上，陆地、海洋、大气层和外层空间分别被称为人类的第一、第二、第三和第四环境。陆、海、空、天是人类活动的四大疆域。而第四环境是随着航天技术的诞生而出现的。简言之，飞行器在稠密大气层以下飞行，被誉为航空，而在大气层以上飞行，被誉为航天。航空技术主要是研制飞机、气球和飞艇等，航天技术主要是研制航天器、运载火箭和导弹。这门课主要研究航空器-飞机。1.1航空航天发展概况1.1.1航空发展概况航空是20世纪发展迅速、对人类社会影响巨大的科学技术领域之一。20世纪初，美国的莱特兄弟（W.Wright,O.Wright）用自己制造的世界公认的第一架飞机，实现了人类首次持续的，有动力的，可操纵的飞行，开创了现代航空的新纪元。莱特兄弟在技师泰勒的帮助下，自己动手设计制造的活塞式汽油发动机功率为12马力(长期)-16马力(短期)重量约77公斤为人类首次有动力、稳定、可操纵的持续飞行提供了发动机，开创了人类飞行的新纪元。1903年12月17日飞行者一号莱特兄弟第一架飞机1.1.1航空发展概况发动机服役年代典型特点涡喷发动机第一代40年代末第二代加力涡喷/涡扇50-60年代第三代推重比8涡扇发动机70-80年代第四代21世纪初喷气战斗机大致发展了四代超声速巡航、隐身、非常规机动2倍以上声速2万米以上高度从20世纪40年代末到21世纪初，喷气战斗机及其发动机已经历了四次更新换代，大致发展了四代。典型飞机F-86、米格-15亚、跨声速(M<1.5)F4、F104、米格-21/23F15/16、米格-29、苏-27高机动空中优势多用途推重比10涡扇发动机F22/35、I.44高性能的发动机使第三代战斗机具有优良的机动性俄罗斯苏-27在珠海航展上的飞行表演，表现出第三代发动机推重比高的特点。高性能的发动机使第三代战斗机具有优良的机动性苏-27双机在珠海航展上表演著名的“眼镜蛇”机动飞行，表现出第三代发动机抗畸变能力强（即泼辣性好）的特点。第四代喷气战斗机第四代战斗机正在研制，并即将服役。预计第四代战斗机将成为21世纪上半叶的主力战斗机。第四代战斗机装备推重比10一级发动机，具备推力矢量、隐身、超声速巡航等功能，其作战性能将全面超过现役的第三代战斗机。据报道，美国的第四代战斗机F-22与第三代战斗机F-15相比，其综合作战效能提高近10倍。第4代战斗机的主要特点如下：采用推重比10一级加力涡扇发动机具有推力矢量功能非常规机动能力（敏捷性）超视距、多目标攻击能力具有短距起落能力良好的隐身性能超声速巡航能力F-35(JSF)采用推力矢量喷管，通过改变喷气流方向来改变推力方向，使飞机获得直接的操纵力，实现非常规机动，提高敏捷性。四代发动机采用矢量喷管提高飞机敏捷性配装F22战斗机的F119发动机二元推力矢量喷管改装轴对称矢量喷管发动机的俄罗斯苏-37战斗机进行非常规飞行表演（钟形机动、榔头机动）四代发动机采用转向喷管实现垂直/短距起落F-35联合攻击机所使用的第四代推重比10一级F-135发动机采用转向喷管+升力风扇实现垂直/短距起落采用转向喷管/升力风扇的美国F-35联合攻击机F-117隐形攻击机采用了扁平状的矩形二元喷管，具有良好的红外隐身性能。在参加的数次局部战争中，只被击落1架，显示出强大的生存能力。第四代发动机由于推重比高，不用开加力就可以使飞机实现超声速飞行，使飞机性能得到了重大提高。美国F-22战斗机在11公里高空巡航速度达到声速的1.5倍左右。19世纪末20世纪初，一些国家的航天科学家开始研究、解决有关航天的科学理论和工程技术问题，并着手进行火箭的设计和试验。经过大约半个世纪的努力，人类终于把人造地球卫星送入了太空，从而开创了航天的新纪元。1.1.2航天发展概况自1957年10月第一颗人造地球卫星上天以来，先后有苏联、美国、法国、日本、中国、印度等国家，以及欧洲空间局研制出近百种运载火箭；修建了十多个大型航天器发射中心；设计制造了三千多棵人造地球卫星；一百多个载人飞行器和空间探测器；建立了完善的跟踪和测控系统，地面模拟试验设施和数据处理系统。约有近六十个不同用途的应用卫星系统投入运行。航天站已能在太空持续运行近五年。航天员可以在太空持续工作近300天。1.1.2航天发展概况美国航天飞机成功地进行了几十次的飞行，完成了运送和回收卫星的双向运载任务，成为人类沟通地球和太空的理想航天运输工具，使航天活动进入一个新阶段。已有18个国家的约200名航天员进入了太空，12个人踏上了月球。空间探测器已成功地考察了太阳系的许多行星；实现了在金星和火星上的软着陆；探测了水星、木星、土星；有的还将飞出太阳系，对宇宙进行科学探索。1.1.2航天发展概况我国航空事业的蓬勃发展是在新中国成立后开始的。50年代初我国才刚刚组建起航空工业管理局，成立飞机、发动机和材料工艺等方面的研究机构。1954年研制出我国第一架教练机（初教-5）。1956年试制成功第一架喷气歼击机（歼-5）。1958年小型多用途的运输机（运-5）投入广泛使用。同年。自行设计制造了初教-6。1959年第一架超音速喷气歼击机歼-6飞上蓝天，实现了我国航空工业从修理到制造、从仿制到自行设计生产的重大转变。1.1.3我国的航空航天事业概况60年代初建立了中国航空研究院和一整套的科研、生产和教育机构，全面开始从事飞机、发动机、仪表、电器、附件、电子设备、自动控制和航空武器的设计研究。大力开展了空气动力、结构强度、燃气涡轮、风洞技术、生命保障、材料工艺、导航控制、系统仿真和飞行试验等方面的应用研究。中国的航空工业形成了科研、生产和教育密切结合的完整体系。1.1.3我国的航空航天事业概况70年代初，我国生产制造的全天候高速歼击机和低空性能优异的强击机都正式装备了部队，各种新型飞机也日益增多。现在我国已能研制、生产各种型号的歼击机、轰炸机、强击机、直升机、侦察机以及各种型号的战术导弹，为空军、海军提供了军事技术装备，满足了民航事业的部分需要，并向世界上一些国家出口。1.1.3我国的航空航天事业概况参加国庆50周年空中阅兵式的飞机“轰6”轰炸机“轰6”加油机“飞豹”歼击/轰炸机“歼7”战斗机“歼8II”战斗机“苏27”战斗机“直9”直升机“轰六”型轰炸机高亚声速中程战略轰炸机1968年底首飞，1969年投产，有轰六甲、轰六丁、空中加油机等改型，是我国生产的最大的军用飞机起飞重量73800公斤载弹量3000公斤最大9000公斤巡航速度M0.75最大航程6000公里1967年10月16日徐克勤驾驶轰六成功地投放氢弹“飞豹”歼击/轰炸机我国自行研制的双座、双发、多用途全天候超声速歼击轰炸机1998年11月珠海航空航天博览会上首次公开亮相,并作了极为精彩的飞行表演，给世人一个惊喜！飞行中的“飞豹”最大平飞速度：M1.7航程：约3600公里起飞重量：28400公斤外挂重量：6500公斤最大平飞速度(高空)：M2.05（约2177公里/小时）航程：约1500公里起飞重量：7370公斤1966年1月17日首飞，为典型的第2代战斗机有多种改型：歼七Ⅰ、歼七Ⅱ、歼七M、歼七Ⅲ、歼七MG、歼七E、歼教七等。空、海军分别用它击落入侵敌机7架，高空侦察气球300余个。空军八一飞行表演大队使用歼七E。“歼七”系列战斗机“歼八Ⅱ”战斗机我国自行研制的高空、高速全天候战斗机属第2代战斗机设计工作始于1983年1984年6月12日首飞，随后投入生产。最大飞行速度：M2.2起飞重量：15258公斤“苏-27”型战斗机俄制第3代多用途空中优势战斗机，1984年服役，为俄罗斯现役主力战斗机，也是目前世界上最先进的战斗机之一。最大平飞速度M2.36起飞重量22000公斤航程3900公里作战半径1500公里“直九”轻型、多用途直升机起飞重量：3850公斤最大平飞速度：306公里/小时航程：1000公里1980年引进法国专利进行生产1992年国产化的直九首飞成功。强5强击机超7“枭龙”战斗机建国50年，航空工业如同其它行业一样，有突飞猛进的发展，到1998年底，共生产军机13000余架，民机1500余架，发动机5万余台，为国防建设、国民经济作出了重大贡献。运7运输机运8运输机1.2飞行器的基本分类及组成1.2.1航空器分类航空器分类.doc轻于空气的飞行器又称空气静力飞行器，升力由空气的浮力产生；重于空气的飞行器又称空气动力飞行器，升力由航空器相对空气运动产生；按升力的产生方式又分为定翼航空器和动翼航空器。定翼航空器的升力由固定机翼产生，有动力装置的称为飞机，无动力装置的称为滑翔机。1.2.1航空器分类基于阿基米德浮力原理，轻于空气的飞行热气球、氢（氦）气球、飞艇提供直接升力的飞行（需要动力)火箭、垂直起落飞机基于柏努利原理，以速度换取升力的飞行（需要动力）固定翼飞机、直升机、旋翼机飞行器飞行原理-三种基本途径（两种需要动力）：1.2.1航空器分类基于柏努利原理，飞机飞行的三个基本条件：动力（发动机）产生升力的装置（机翼）姿态的控制（舵面）喷气式飞机的几个第一飞得最快的飞机速度：3529.47km/h机型：美国SR71时间：1976年7月28日喷气式飞机的几个第一飞得最高的飞机高度：37650米机型：前苏联Mig25时间：1977年8月31日喷气式飞机的几个第一载重最多的飞机最大载重：275吨机型：俄罗斯An-225时间：2001年5月7日飞得最快的超声速客机---协和号飞得最远的飞机---旅行者号形形色色的各种军用飞机战略轰炸机预警机反潜机军用运输机侦察机电子战飞机空中加油机无人机气球齐柏林飞艇1.2飞行器的基本分类及组成1.2.2航空器-飞机的组成飞机是主要的、应用范围最广的重于空气的航空器。飞机具有机身、机翼、动力装置、起落架和稳定操纵机构等几个主要部分组成。机身是飞机的躯体，他将机翼、尾翼、动力装置、起落架等部件连成一个整体，构成飞机。1.2.2航空器-飞机的组成1.2.2航空器-飞机的组成机身：主要用来装载乘员、旅客、武器、货物和机载设备。机翼：是飞机产生升力的主要部件，以支持飞机在空中飞行。稳定操纵机构：包括水平尾翼、垂直尾翼、副翼、升降舵、方向舵等几个主要部件，它用来维持飞机在空中飞行的稳定和平衡，控制飞机的姿态和方向。起落架：用于支撑飞行和进行起飞、着陆时的滑跑。动力装置：是飞机上产生推力和拉力，推动飞机前进。它包括发动机及其相关的附件和系统。1.2.2航空器-飞机的组成飞机的典型操纵方法是：俯仰操纵（绕飞机横轴的运动）：靠飞行员推、拉驾驶杆或驾驶盘，带动升降舵偏转来完成的；侧向操纵（绕飞机纵轴的运动）是靠飞行员压杆，带动副翼偏转（或打开扰流片）来完成的；方向操纵（绕飞机立轴的运动）是靠飞行员蹬脚蹬板，带动方向舵偏转来完成的。驾驶杆和脚蹬板与各操纵翼面之间，通过钢索（软式）、或连杆（硬式），或二者兼用（混合式）来传动的。1.3飞行控制系统1.3.1飞行自动控制系统的定义国家军用标准是这样定义飞行控制系统（FlightControlSystem,FCS）的：“一种飞机系统，它包括驾驶员或其他信号源进行下述一项或多项控制所应用的飞机所有分系统和部件：飞机航迹、姿态、气动外形、乘坐品质和结构模态等的控制”。通常分为人工飞行控制（操纵）系统和自动飞行控制系统。通俗地讲：以飞行器为控制对象，对飞行器的运动加以控制的系统。1.3.1飞行自动控制系统的定义人工飞行控制系统人工飞行控制（操纵）系统（ManualFlightControlSystem,MFCS）：直接传递驾驶员的人工操纵指令，或形成和传递人工操纵指令的增强指令，从而实施飞行控制功能的系统。这里飞机称为被控对象，简称对象；飞机的舵面等称作控制机构；飞行员等称为操纵者。那么所谓人工飞行控制就是通过操纵者，给被控对象施以影响，使该被控对象按照操纵者的意向 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 而运行。通常把人工控制称为操纵。它可以包括电的、机械的、液压的和气动的部件。这些部件为控制功能传递驾驶员指令的手段。1.3.1飞行自动控制系统的定义自动飞行控制系统自动飞行控制系统（AutomaticFlightControlSystem,AFCS）：“自动控制，人不直接参与控制过程。直接操纵者不是人，而是一个自动装置或一个自动控制系统，该装置或系统是按照人的意图，依据基本控制理论和工作原理构成的。这一类系统包括自动驾驶仪、驾驶杆和驾驶盘操纵、自动油门杆装置、结构模态控制或类似的控制器。1.3.1飞行自动控制系统的定义由上述国军标内容可以看出，飞行控制系统是在人工与自动驾驶基础上发展起来的一种飞机系统，一般由不同功能的分系统和部件组成，能部分或全部地代替驾驶员，控制飞机角运动、重心运动（航迹运动）和飞行速度、改变飞机的几何形状（结构与模态），并能改善飞行品质与保障飞行安全的控制系统。飞行控制系统的分系统有：飞机系统、传感器分系统、导航分系统、控制显示分系统、飞行控制计算机、飞机操纵伺服系统、燃油系统、自动配平与自动回零分系统、机内自测试分系统等。1.3.2飞控系统的基本组成与自动飞行原理1）飞控系统的基本组成：人操纵飞机的过程通过飞行员看仪表——大脑判断——手脚动作——调整飞机。在大脑中实现负反馈的过程，这是一个反馈系统即为闭环系统。1.3.2飞控系统的基本组成与自动飞行原理自动飞行控制过程若用自动控制系统代替飞行员操纵飞机则上图改为：1.3.2飞控系统的基本组成与自动飞行原理2）自动飞行原理飞机偏离原始状态，敏感元件感受到偏离方向和大小，并输出相应信号，经放大、计算处理，操纵执行机构（舵机），使控制面（如升降舵面）相应偏转。由于整个系统是按负反馈的 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 连接的，其结果是使飞机趋于原始状态。由敏感元件、综合装置、放大元件、执行元件就构成了飞控系统的核心―称为自动驾驶仪。在飞机调整中，不断与给定要求相对比，按差值调节，从而实现了负反馈的控制过程。1.3.3飞控系统的目的和作用控制器控制的目的：（1）改变飞机（或飞行器）的姿态或空间位置（2）抗干扰──即飞机受干扰作用时，控制器可保持飞机的姿态或位置不变。实现上述目的的方法：通过给飞机施加力和力矩来完成，这力和力矩能使飞机的姿态与位置保持或改变。如何给飞机施加力和力矩：靠飞机上的控制面偏转产生空气动力与力矩如何给飞机施加力和力矩实现控制目的的方法控制器控制目的（1）必要条件：控制面升降舵──纵向运动副翼──侧向运动方向舵──侧向运动（2）控制设备-执行机构：如何偏转这些飞机上的控制面？靠执行机构（如：舵机）1.3.3飞控系统的目的和作用飞行控制系统研究涉及内容对象的建模与分析控制器的设计闭环系统分析1.3.3飞控系统的目的和作用（1）改善飞机飞行品质固有特性：改善飞机的固有特性（阻尼特性、频率特性），提高飞机稳定性。操纵、控制特性：减轻飞行员的负担扰动特性，主要改善飞行器对大气紊流的响应特性；大扰动的控制特性（2）协助航迹控制（3）全自动航迹控制（4）监控和任务规划1.3.3飞控系统的基本回路1）舵回路（又称小回路）（伺服回路）由舵机的输出端反馈到输入信号端（用以控制舵面）构成的回路，是组成执行机构的主要部分。是一随动系统也称操纵面伺服机构（ControlSurfaceActuationSystem）自动控制舵面的偏转。如图所示：1.3.3飞控系统的基本回路组成：放大器、舵机、反馈元件作用：改善舵回路特性舵回路负载：舵面的惯量，和作用在舵面上的气动力矩（铰链力矩）输入量是飞机控制指令—综合控制信号，输出量是舵机带动舵面偏转的角度和角速度。综合控制信号是由自动飞行控制系统的控制规律（简称控制律）决定。1.3.3飞控系统的基本回路一般说来，固定翼飞机可供驾驶员控制的操纵面有三个：平尾（或升降舵）、副翼和方向舵，所以驾驶仪的舵回路也有所三个：平尾（升降）舵回路、副翼（倾斜）舵回路和方向（航向）舵回路。这样也就形成了驾驶仪的三个通道，分别称作平尾（升降舵）通道（或俯仰角通道、纵向通道）、副翼通道（或倾斜通道）、方向舵通道（或航向通道）。1.3.3飞控系统的基本回路2）阻尼增稳回路现代飞机随着飞行包线（高度H与M范围）的扩大，飞机自身稳定性下降，此时单靠人操纵飞机已很困难，因此在飞机上装了阻尼器和阻尼增稳回路或控制增稳回路。控制增稳系统除了增大阻尼外，还可以增加静稳定性和改善操纵性。阻尼器：引入飞机角速度负反馈，并与放大器和串联舵机组成阻尼器，增强角运动阻尼，增加稳定性。组成：由传感器、校正网络、放大器、助力器和飞机机体组成1.3.3飞控系统的基本回路阻尼器与驾驶员的机械操纵系统是相互独立的，加阻尼器的飞机其实就是一个改善稳定性的飞机，人们把它归到被控对象中。控制关系如图所示：阻尼器、自动驾驶仪与飞行员1.3.3飞控系统的基本回路它在使用范围内自动参与飞机操纵而又不妨碍驾驶员操纵，因此常对阻尼器权限加以限制，或者在反馈回路引入高通滤波网络，但这又同时限制了工作范围和效能。若增加感受加速度信号或迎角、侧滑角信号的传感器，用以改善飞机的静稳定性，就称为增稳系统。在现代战机上，这种阻尼器增稳的作用已经拓展为控制增稳，以提高飞机的稳定性和操纵性，并解决它们之间的矛盾。后续章节将详细介绍。自动飞控阻尼增稳系统1.3.3飞控系统的基本回路3）稳定回路（姿态角控制回路）舵回路加上敏感元件和放大计算装置组成自动驾驶仪(AP)，并与飞机组成的新回路。作用：稳定飞机的姿态（或稳定飞机的角速度）1.3.3飞控系统的基本回路姿态角控制的基本原理及其与阻尼器控制的关系如图示：1.3.3飞控系统的基本回路在驾驶仪自动控制飞行姿态时，飞行员把控制权交给驾驶仪，必要时进行干预。此时姿态控制器一般应带动驾驶杆，以便驾驶员监控它的工作。驾驶仪一般设有保障飞行安全装置，保证驾驶员对它的优先控制，并且不影响阻尼器的正常工作。1.3.3飞控系统的基本回路4）控制回路（又称控制与导引回路，简称制导回路）这个回路是完成对飞机重心轨迹控制的回路，它是以稳定回路为内回路。飞机重心位置的改变是通过控制飞机角运动实现的。1.3.3飞控系统的基本回路飞机航迹控制的问题比较复杂。一般总是根据飞机航迹运动特点，把它分为纵向、侧向两个方面进行研究。一般是在姿态（包括航向角）控制的基础上构成航迹控制回路。航迹控制器根据实际航迹与期望航迹的偏差，生成航迹控制指令，送入姿态控制器，通过飞行航向和姿态的控制，实时地修正航迹偏差，使飞机按期望航迹飞行。1.3.3飞控系统的基本回路航迹控制回路可以是静态的—事先由飞行员设定的，如自动导航中的 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 航线；也可以是动态的—飞行中即时更改的，如战术飞行中飞行员根据空中敌我态势的变化随时制定的飞行路线。高度稳定就是一种简单的航迹控制问题。要稳定飞机的高度，一般由驾驶员将飞机操纵到预定高度时，接通定高功能回路，使高度回路根据飞机高度偏差信号操纵平尾（升降舵）自动稳定飞行高度。高度稳定系统1.3.3飞控系统的基本回路由此可见，飞行控制系统是完成各种单一功能控制子系统的总和。系统主要由完成三个功能的层次构成：最低层的任务是提高飞机运动和突风减缓的固有阻尼——三个运动轴方向的阻尼器功能，第二层的任务是稳定飞机的姿态角—基本驾驶仪的功能（主要进行角运动控制）；第三层的任务是控制飞行高度、航迹和飞行速度，实现较高级自动驾驶功能。1.3.3飞控系统的基本回路1.4本课程内容安排第一章 飞行力学基础介绍坐标系，作用在飞机上的空气动力及力矩。第二章飞行器运动方程建立了飞机运动方程（包括全量方程、线性化小扰动方程及飞机的状态方程）。第三章 测量与传感器介绍飞行控制系统中的测量元件。自学第四章舵机与舵回路介绍飞行控制系统的执行机构。1.4本课程内容安排第五章典型飞行控制系统的分析这是设计飞行控制系统的必要基础。也是本课程的重点之一。首先介绍改善飞机稳定性的阻尼系统和增稳系统。接着介绍飞机三轴姿态控制系统和纵向、侧向轨迹控制系统。最后介绍了控制与保持空速的工作原理。重点。1.4本课程内容安排第六章飞行控制系统的设计首先学习飞行品质评价及品质规范，然后对飞行控制设计中的相关问题进行了讨论。介绍了典型数字式飞行控制系统。第七章现代飞行控制技术对现代飞行控制系统中的基础—电传操纵系统及主动控制系统作简单介绍。重点。