第六章 控制系统的设计n6.1 飞行控制系统的任务和设计目标n6.2 飞行品质评价及品质规范 n6.3 飞行控制系统的基本设计方法n6.4 数字式飞行控制系统的设计DateDate1 16.1 飞行控制系统的任务和设计目标飞机设计的最高目标：n民用领域的目标飞行安全n军用领域的目标飞行安全、能按要求任务DateDate2 2飞行控制系统的设计目标n改善飞行品质n协助航迹控制n全自动航迹控制n监控和任务规划DateDate3 3飞行控制系统设计要求和准则， 通常基于三大方面要求 n飞行品质的要求飞机动态特性（包括稳定性 、操纵性、机动性（或称操纵品质）及阵风敏 感性（或称乘坐品质）。n飞机对飞行环境的适应性要求对全部飞行活 动的适应性要求。n通过控制手段改善飞行性能的要求如利用主 动控制技术可扩大战斗机飞行包线；利用机动载 荷控制和放宽静稳定性可改善飞行品质和飞行性 能。DateDate4 46.1.2 飞行品质的评价标准n飞行品质通常由驾驶员评定。n驾驶员对控制品质的评价与下列因素有关： 1飞机类型（大型的、迟钝，或小型的、灵活） 2飞行任务（起飞、巡航飞行、特技飞行） 3环境条件（大气紊流、振动、噪声） 4飞行任务的困难程度（如在恶劣能见度下的着 陆和发动机停车） DateDate5 56.1.3 飞行控制系统的基本任务(1)改善飞行品质 改善飞机的固有运动特性n包括：n固有阻尼特性和固有频率特性（三通道）；n运动参数间的耦合关系（偏航与滚转）。 改善飞机的操纵特性 n改善飞行器对驾驶员操纵（控制）输入信号的响 应特性。DateDate6 6 改善飞机的扰动特性n主要改善飞行器对大气紊流的响应特性 大扰动的控制问题n对一侧发动机停车或抛投载荷等引起的大扰动对 飞行安全和飞行品质的影响进行有效地控制。n飞行控制系统应该支持而不妨碍驾驶员对飞行航 迹的控制，尽量不让驾驶员察觉到飞控系统的工 作。DateDate7 7（2） 协助航迹控制n在机动飞行阶段，驾驶员需要飞行控制系统的支 持。n此支持不仅能使驾驶员进行精确的飞行航迹控制 ，而且允许驾驶员作剧烈而迅速变化的机动。（3）全自动航迹控制n无驾驶员参与的全自动化的飞行航迹控制，完全 由所有六个自由度的飞行自动控制系统完成DateDate8 8（4）监控和任务规划n以往，驾驶员完成该任务n现在，飞控系统中的飞行管理计算机逐步具备监 控和任务规划的功能。 飞行控制系统将逐渐完全替代驾驶员！DateDate9 96.2 飞行品质评价及品质规范n飞行品质是保证驾驶员方便地驾驶飞机，顺利而精确完 成飞行任务的性能指标。n飞行品质规范n评价飞行品质的标准n是国家或部门统一制定的法律性文件n规定系统总的性能要求和设计准则（包括系统设 计和分系统与部件设计）DateDate1010n1980年美国军用规范MIL-F-8785C：n 是美军的正式军用规范；n 也是世界所参考的主要飞行品质规范之一。n1986年 我国制定的GJB185-86：n 是参照MIL-F-8785C而制定；n 规定了人工和自动飞行控制系统，都必须满足 的空中和地面操纵品质；n 大大推进了我国飞行控制系统的研制工作。DateDate11116.2.1 国军标GJB185-86 1. 飞机的种类军用飞机分为：n轻小型（QX）体重小于4500kg，最大法向 过载小于4.5g的飞机。如轻型多用途机，初级教练机。n轰运型（HY）体重大于4500kg，最大法向 过载于小于4.5g的飞机。如战术轰炸机，运输机，预警机和加油机。n歼强型（JQ）最大法向过载大于4.5g的飞机 。如歼击机，强击机，歼击轰炸机，截击机，战 术侦察机及相应的各种教练机。DateDate12122. 飞行阶段的划分n某一类飞机在不同的飞行阶段完成不同的任务， 对飞行品质的要求也不同。n在GJB185-86中，把飞行阶段划分为：n战斗阶段（A类）作急剧机动动作，精确跟 踪或精确控制飞行轨迹的飞行阶段 包括：空战，对地攻击，武器投掷或发射，侦察 ，空中加油，地形跟随，反潜搜索和密集编队。DateDate1313n航行阶段（B类）精确控制飞行航迹，作缓 慢机动动作，无需精确跟踪就能完成的飞行阶段 。 包括：上升，巡航，空中加油，下降，应急 下降，应急减速和空投。n起落阶段（C类）作缓慢机动动作，常需要 精确控制飞行轨迹的飞行阶段。 包括：起飞，进场，复飞和着陆。DateDate14143. 飞行品质标准n对不同机种、不同飞行阶段制定的最低条件。 飞行标准分为三等：n标准1：飞行品质能确保顺利完成各项预定的飞 行任务。n标准2：飞行品质适合于完成各项飞行任务，但 驾驶员的工作负担有所增加，或完成任务的效果 有所降低，或兼而有之。n标准3：飞行品质能满足安全操纵飞机，但驾驶 员的工作负担很重，或完成任务的效果不好，或 兼而有之。DateDate15156.2.2 纵向飞行品质要求n国军标GJB185-86中相应规定了飞机纵向和横侧 向运动的飞行品质。 （1）速度稳定性n纵向静稳定性：飞机受扰后恢复原飞行的趋势。n沉浮稳定性：飞机重心纵向长周期模态的振荡运 动稳定性。n飞行轨迹稳定性：驾驶员不改变油门，只改变升 降舵保持航迹倾角时，衡量飞机速度稳定性的指 标。对保证飞机下滑着陆和精确控制轨迹很重要。DateDate1616（2）纵向机动特性n飞机在常值速度下对驾驶员操纵输入的动态响应 性能n主要考虑：n短周期响应：飞行速度几乎不变时，微小扰动或 突然俯仰操纵产生的迎角和俯仰角振荡过程。n等速飞行中的操纵感觉和稳定性n驾驶员诱发振荡DateDate1717（3）纵向操纵性n国标中关于纵向操纵性的规定是为了保证在飞行 包线内有效操纵飞机并有合适的操纵杆力，尽可 能简化驾驶员的操纵。DateDate18186.2.4 飞行品质的评价方法等效系统法在时域内评价纵向飞行品质在时域内评价侧向飞行品质在时域内评价高阶系统的纵 向、侧向飞行品质DateDate19196.2.3 横侧向飞行品质要求n与纵向类似，国标中的要求主要是：稳定性、机动性和操纵性DateDate20206.2.5 有人驾驶飞机飞行控制系统 通用规范n该规范是军用有人驾驶飞机（包括直升机）飞行 控制系统设计、研制和生产的技术依据。n部分内容： 1飞行控制系统不同工作状态等级的飞行品质要 求 2姿态保持（俯仰和倾斜） 3航向保持 4航向选择 5稳态倾斜转弯中的协调 6滚转时的侧向加速度限制DateDate21217水平直线飞行中的协调 8高度保持 9Ma数保持 10空速保持n该规范还规定了自动导航（包括伏尔/塔康导航 ）、自动进场（包括仪表着陆系统）、自动着陆 等系统的性能要求。DateDate22226.3 飞行控制系统的基本设计方法控制系统的两种设计方法：n经典设计方法（经典控制理论）n现代设计方法（现代控制理论）n经典控制理论：n时域分析法 n根轨迹分析法n频域分析法DateDate23236.3.1 飞控系统的经典设计方法n飞行控制系统的设计技术中，经典的设计 技术占有十分重要的位置。n经典设计方法的本质：借助于大量的直观的经验，按照闭环回路 来依次选择控制系统的结构和参数。DateDate2424n单回路的设计方法：n借助根轨迹，波德图，奈奎斯特曲线和尼科尔斯 曲线等工具。n根据相应的稳定性原则和性能指标要求，采用试 凑迭代的方法，设计具有一定稳定裕度和性能的 飞行控制系统。n设计者可以直观地看到系统的动态特性在设计过 程中是怎样被修正的。DateDate2525n对于多输入/多输出或多回路系统：n经典设计技术通常需要采用按回路递次设计的方 法n通过大量的反复试验过程，来设计满足指标要求 的控制系统。n经典设计技术一般遵循：“先内后外，最后综合” 、 “先宽后窄”的设计原则。DateDate2626几种飞行控制系统经典设计技术中 的典型方法： 1. 根轨迹法n根轨迹定义：当开环系统的某一参数由0时，闭环系统的 特征根在S平面上变化的轨迹。n通过根轨迹，可直观地由满足飞行品质要求的闭 环系统的特征根，来确定所对应的控制系统增益 的值。DateDate2727n例1结合图6-7，可将回路递次设计的根轨迹法 的步骤归纳如下：n 首先从内回路（阻尼回路）开始设计。n先在舵回路时间常数 和增益 的取值范围内 ，假定舵回路的时间常数 和增益DateDate2828n利用选定的舵回路时间常数 和增益 ，写 出内回路的开环传递函数n并做出内回路随增益 变化的根轨迹 DateDate2929n 依据对内回路的稳定性和性能指标（如阻尼 比和固有频率）的要求，借助于内回路随增益 变化的根轨迹，来选定合适的增益 。n随着内回路增益的选定，内回路闭环传递函数 就确定 了：DateDate3030n在内回路传递函数 的基础上，写出外 回路的开环传递函数：n画出整个系统随 变化的根轨迹。DateDate3131n 根据对整个系统（即外回路）的稳定性和性 能指标的要求，借助于整个系统随增益 变化 的根轨迹，选择适当的增益 ，这样也就确 定了整个闭环系统的传递函数：n 根据整个系统的设计要求，通过反复调整舵 回路的时间常数 和增益 以及控制增益 、 的值，最后获得满足系统设计指标要求的控制系 统。DateDate3232n例2某运输机的纵向短周期运动传递函数为n其舵回路的传递函数为 n内回路（阻尼回路）的开环传递函数DateDate3333n开环三个极点，一 个零点：n根据振荡环节的性 能指标的设定： n求得两个闭环极点 ：DateDate3434n再根据将 代入下式：利用综合比较法，求得：DateDate3535n所以，内回路的闭环传递函数：DateDate3636n整个俯仰姿态控制系统 的开环传递函数：n得：DateDate3737n由系统的根轨迹图6-9可见，系统的主导极点 是在 ，即（0，0.59）之间的一个小的 负实根。n所以n但受到 值的限制，系统性能不能继续改善。n且，当增益 增大到一定值，次主导极点（一 对共轭复根）将进入S右半平面，系统变为不稳 定。DateDate3838n所以，当内回路增益 一定情况下，外回路增 益 存在着相应的最佳值和极限值。n因此，可以根据系统的性能指标设计要求，选择 合适的外回路增益 。DateDate3939n必须清楚：飞行控制系统的零、极点是随飞行条件的变化而 改变，仅靠改变系统的增益不可能适应所有的飞 行状态下的性能要求。（式611）且增益的调节范围有限。n因此，通过选择系统增益仅能在一定飞行范围内 满足飞行品质的要求！DateDate4040n经典飞控系统设计方法常采用：引入适当的补偿环节（即在系统的传递函数中加 入适当的零、极点）改变闭环系统的根轨迹的布局增大系统增益的使用范围DateDate4141例3：某系统的开环传递函数为n加入一阶串联补偿环节：根轨迹图：n补偿前（虚线）n补偿后（实线）n补偿后的K的可用变化范围大 大增加；系统的稳定性能得 到改善DateDate42422. 极点配置法 （1）简单的极点配置法n对单输入单输出系统：极点： 系统不稳定！DateDate43432. 极点配置法 （1）简单的极点配置法n增加一个负反馈回路 后，闭环系统变为：n要求闭环系统的闭环极点为： 这时，系统变为稳定！n因此，合理选择 ，可以改善系统稳定性