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第四章自动飞行控制系统 早在陀螺仪表出现不久，1914年美国的SPERRY就研制了一种 陀螺稳定装置，这种装置开始只是用来保证飞机的姿态稳定， 到20世纪30年代发展成可以控制和保持飞机的高度、速度和航 迹的自动驾驶仪。20世纪50代后又和导航系统、仪表着陆系统 相联系，自动驾驶装置实现了长距离自动飞行和自动着陆。到 了20世纪70年代中期，由于计算机的应用使自动驾驶仪和飞机 的指引系统组成一综合系统，使飞机的各种传感器数据、指引 与控制系统已在飞行管理系统中，从而实现了高程度的自动 化。20世纪70年代末期，计算机和控制技术的迅速进展，使自 动驾驶仪功能迅速扩展，在现代化的大中型民航客机上，自动 飞行控制系通常包括自动驾驶仪、飞行引系统、自动油门系 统、偏航阻尼系统、安定面自动配平等。 4.1 自动驾驶仪的工作原理 1．基本原理及组成 自动驾驶仪属于一个反馈控制系统，它代替驾驶员 控制飞机的飞行。 4.1 自动驾驶仪的工作原理 4.1 自动驾驶仪的工作原理 自动驾驶仪是利用“反馈”控制原理来实现对飞机运动 参数的控制。 描述飞机运动的参数通常有三个姿态角(俯仰角、倾斜 角、偏航角)、三个角速度(俯仰角速度、倾斜角速 度、偏航角速度)、两个气流角(迎角或称攻角、侧滑 角)、三个线位移和三个线速度，以及两个航迹角(航 迹俯仰角、航迹偏转角）。 自动飞行控制系统可在无人参与的情况下自动控制上 述部分或全部参数，必要时还可控制马赫数及法向过 载等。 4.1 自动驾驶仪的工作原理 自动驾驶仪的基本组成部分包括： ①测量元件或称敏感元件——用来测量飞机的运动参 数。如速率陀螺测量角速度，垂直陀螺测量飞机的俯 仰角、倾斜角或称滚转角、航向陀螺测量飞机的偏航 角等。 ②信号处理元件或称计算元件——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，包括有综 合装置、微分器j积分器、限幅器、滤波器等。 ③放大元件——放大上述处理过的信号的元件，一般 指功率放大。 ④执行机构——根据放大元件的输出信号带动舵面偏 转的机构，亦称为舵机。 4.1 自动驾驶仪的工作原理 2．自动驾驶仪的主要功用 随着自动驾驶仪系统的不断发展，其功能也越来越强 大。当自动驾驶仪衔接后，可以实现的主要功能有： ①自动保持飞机沿三个轴的稳定(姿态角的稳定)； ②接受驾驶员的输入指令，操纵飞机以达到希望的俯 仰角、航向角、空速或升降速度等； ③接受驾驶员的设定，控制飞机按预定高度、预定航 向飞行； ④与飞行管理计算机系统耦合，实现按预定飞行轨迹 的飞行； ⑤与仪表着陆系统(ILS)耦合，实现飞机的自动着陆 (CAT I，II，III等)。 4.1 自动驾驶仪的工作原理 3．自动驾驶仪的分类 自动驾驶仪的常用分类方法是按其控制规律来划分。 所谓控制规律通常是指自动驾驶仪输出的舵偏角与信 号的静、动态函数关系。按这种划分方法，可分为比 例式自动驾驶仪和积分式自动驾驶仪等。 现代飞机的自动驾驶仪通过与飞行管理计算机系统交 联，与自动油门系统协同工作，可以按照预先制定的 飞行计划，实现从起飞后的爬升、巡航、下降、进近 直到着陆各飞行阶段上的自动控制。它包括三轴姿 态、发动机的推力以及改平并过渡到减速滑跑等控 制。现如今，用于民航客运的大型飞机上普遍安装有 这类自动驾驶仪系统，具备III类仪表着陆能力。
4.1 自动驾驶仪的工作原理 4．舵回路、稳定回路和控制回路的概念 自动驾驶仪工作时，以飞机为控制对象，实现飞机不同参 数的控制与稳定。自动驾驶仪实现不同的功能，完成不同 的飞行任务，要求组成不同的反馈控制回路。自动驾驶仪 系统的工作回路通常由以下四个回路组成： （1）同步回路 作用：在自动驾驶仪衔接时，保证系统输出为零，即自动 驾驶仪的工作状态与当时飞行状态同步。 基本组成：现代飞机上自动驾驶仪的同步回路通常由两部 分组成：一是FCC内部的同步，二是作动筒的同步。
4.1 自动驾驶仪的工作原理 4.1 自动驾驶仪的工作原理 (2)舵回路 自动飞行控制系统根据输入信号，通过执行机构控制 舵面。为改善舵机的性能，通常执行机构引入内反馈 (将舵机的输出信号引到输入端)，形成随动系统或称 伺服回路，简称为陀回路。舵回路由舵机、放大器及 反馈元件所组成。反馈元件包括测速机、位置传感 器，构成舵回路的测速反馈和位置反馈。舵回路可用 伺服系统理论来分析，其负载是舵面的惯量和作用在 舵面上的气动力矩(铰链力矩)。 4.1 自动驾驶仪的工作原理 4.1 自动驾驶仪的工作原理 (3)稳定回路 自动驾驶仪与飞机组成一个回路，该回路的主要功能 是稳定飞机的姿态，即稳定飞机的角运动，称为稳定 回路。由于该回路中包含了飞机，而飞机的动态特性 又随飞行条件而变化，使稳定回路的分析变得较为复 杂。 (4)控制回路 稳定回路加上测量飞机重心位置或速度信号的元件以 及表征飞机空间位置几何关系的运动学环节，组成更 大的回路，称为控制回路或制导回路。其作用是实现 对飞机重心的运动即飞机运动轨迹的控制。 4.1 自动驾驶仪的工作原理 4.1.2 角位移式自动驾驶仪的控制规律及 调节原理 角位移自动驾驶仪可以根据控制规律实 现飞机三个姿态角的稳定。所谓控制规 律就是指空制器的输人量与输出量之间 www.aero.cn 航空翻译 www.aviation.cn 本文链接地址：自动飞行控制系统
