第四章自动驾驶仪及控制规律课件

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1、第四章第四章 自动驾驶仪及控制规律自动驾驶仪及控制规律 自动驾驶仪是一种能够稳定和控制稳定和控制直升机运动状态的自动控制装置。是一个能保持直升机姿态保持直升机姿态，辅助驾驶员(有人)控制直升控制直升机航迹机航迹的自动调节设备。直升机的自动驾驶仪一般有四个通道，分别由油门、变距杆+自动倾斜器和尾桨变距机构控制。控制通道是4个，可操作的对象有3个，其中自动倾斜器实现总距、纵向周期变距和横向周期变距。第一节第一节 基本组成与职能基本组成与职能一、基本组成一、基本组成 六大组成：六大组成：给定元件给定元件、测量元件测量元件、综合装置综合装置、放大元件放大元件、执行元件执行元件、反馈元件。反馈元件。一套

2、完整的直升机自动驾驶仪一般由俯仰通道，倾斜通道，航向通道和总距通道四个通道组成。每个通道的舵回路是自动驾驶仪的核心。自动驾驶仪的控制规律以舵回路的控制规律为基础。二、基本职能二、基本职能 自动测量直升机的飞行状态参数。自动测量直升机的飞行状态参数。将所测结果与给定（初始）状态比较，求出偏差。将所测结果与给定（初始）状态比较，求出偏差。将偏差信号转换成能推动自动倾斜器偏转的信号，操纵旋将偏差信号转换成能推动自动倾斜器偏转的信号，操纵旋翼锥体按一定的规律倾斜，使直升机控制到给定状态翼锥体按一定的规律倾斜，使直升机控制到给定状态/恢恢复到初始状态。复到初始状态。例 驾驶员操纵作等速水平飞行 第二节第

3、二节 基本控制规律基本控制规律 n自动驾驶仪的输入信号（综合信号）与舵机输出量（自动倾斜器的偏转角度或角速度）之间的函数关系，称为自动驾驶仪的控制规律。n控制律设计方法很多，对自动驾驶仪控制律设计而言可归纳为两种基本类型：比例式、积分式。一、比例式控制规律一、比例式控制规律 舵机输出量（自动倾斜器的偏转角）在自动驾驶仪控制下与各输入信号之和（综合信号）成正比，此类控制规律称比例式控制规律。具有比例式控制规律的自动驾驶仪成为比例式驾驶仪。q基本控制方案 为舵回路反馈元件-位置反馈 操纵杆系假定为1时，通道传递函数为：)(SKf K1)1(2STSK 自动倾斜器操纵杆)(SKf UZU0 d e

4、反馈元件 e1K2KTUZU0放大器增益 舵机增益 舵机时间常数 纵向周期变距增量 舵回路综合输入信号 直升机g1KgUUUUfU2K13TSSKSB1fK1K放大器忽略惯性，舵机简化为惯性积分环节)1(2STSK只要满足条件：111)1(/1)1(/)(21221212212121)(0SKKKSKKKTKKKKSSTKKSTSKKKSTSKKUsUfffffSeUZeUZfeUK01?121fKKKTKKKf21自动倾斜器偏转角与综合信号成正比关系，比例系数是位置反馈系数的倒数。q比例式自动驾驶仪 K1)1(2STSK 自动倾斜器操纵杆)(SKf UZU0 d e 反馈元件 L1 L1 L

5、2 G（S）gU g U U 测量元件 20)(0LLUgnZLLKLKLgfgfe)()(21主控信号：)(gL辅助信号：Lq一般形式比例式控制规律（控制性能改善）一般形式比例式控制规律（控制性能改善）给定装置 测量元件 测量元件 放大器 舵机 操纵杆系 位置反馈 直升机 gu 2u nu 测量元件 1u).(121gnfuuuuK型自动驾驶仪稳定状态控制规律 操纵量与控制信号成比例，即为比例式驾驶仪。操纵量与控制信号成比例，即为比例式驾驶仪。BA34LLeLLaKKrHKHc二、积分式控制规律二、积分式控制规律 舵机输出量（自动倾斜器的偏转角速度）在自动倾斜器作用下与各输入信号对时间的积分

6、之和（综合信号）成正比，此类控制规律称为积分式控制规律。具有积分式控制规律的自动驾驶仪称为积分式驾驶仪。反馈信号不是与自动倾斜器的偏转成正比，而是与其偏转角速度成正比。测速电机输出与转子转速即自动倾斜器的偏转速度成正比。反馈信号与俯仰角偏差信号的差值，取决于自动倾斜器的偏转角速度。基本控制方案基本控制方案 L1 K1)1(2STSK 操纵杆系 SKf G(S)L1 Uzon e 积分式控制律舵回路反馈元件为测速反馈 q传递函数速度反馈，舵机的时间常数减少了 倍 11)1(1111)()(21212121212121ffffeZONeKKKSTKKKKKKKKSTKKSTKKKSTKKSUSU只

7、要满足条件：?121fKKKTKKKf21ZONfeUK1ZONfeUSK1fKKK211综合信号由测量和设置得到)(1gZONLU)(geLdtLge)(fKLL/1自动倾斜器纵向偏转角与俯仰角偏差的积分成正比。仅有角位置信号的积分式驾驶仪难以稳定工作。为了改善其稳定性，在引入角位置主控信号外，一般还引入一些辅助信号，如角速度、角加速度信号。纵向通道积分式驾驶仪纵向通道积分式驾驶仪 L1 L1 L3/L2 K1 12STK 1/S 操 纵 杆 系 fK G(S)g ggU U U U ZONU ed e 给 定 装 置 垂 直 陀 螺 速 度 装 置 微 分 器 直 升 机 放 大 器 测

8、速 电 机 舵 机 L2 321)()(LLLUUUUUgZONgLLLge)(LLdtLge)(fffKLLKLLKLL/321传动比 q一般形式积分式驾驶仪 给定装置 测量元件 放大器 舵机 操纵杆系 速度反馈 直升机 nU gU 1U ZONU ed e 测量元件).(121gnfuuuuK三、比例加积分控制规律三、比例加积分控制规律 K1)1(2STSK 1STKef fK zonU d 1111)(21221SKKKSKKKTSTSTKUdSffeefzonSTKKSTSTKseffeef1111)(只要满足条件：?121fKKKTKKKf21时间常数较大，几秒十时间常数较大，几秒十

9、几秒。操纵量由控制信号几秒。操纵量由控制信号的比例加积分量决定。的比例加积分量决定。第三节第三节 纵向角运动控制基本工作原理纵向角运动控制基本工作原理n自动驾驶仪控制纵向角运动-俯仰角自动稳定与操纵一、比例式自动驾驶仪控制俯仰角一、比例式自动驾驶仪控制俯仰角 基本工作过程 pcgeLL)(受扰动产生俯仰角变化，Le产生抑制抬头力矩UfU自动倾斜器前倾 停止前倾 fUU反向恢复 fUUfUU电电位位计计动动态态过过程程忽忽略略不不计计 q过程分析过程分析 仅有角位置信号的自动驾驶仪)(geL对于瞬时干扰，驾驶仪稳定俯仰角不存在原理静差，但对常值干扰则存在静差，修正力矩与常值干扰力矩平衡时：yey

10、mmeyjcymLmeeyyjcmLm静差静差 jc与与L 成反比，成反比，要要求静差小时，求静差小时，L 须选的大。须选的大。俯仰角控制静态情况俯仰角控制静态情况俯仰角控制动态过程 当干扰作用时，自动驾驶仪测得俯仰角，使自动倾斜器前倾。Tx加大 TxY加大抑制上仰恢复到原状态。0XTYTYLyxpwpw俯仰平衡条件L不同，过渡过程呈现不同形式从稳定性看，L不能太大。为了保证原始精度，使系统选取较大的L值时，仍具有良好的动态品质，引入俯仰角速度反馈。从静差看，L须选的大。引入俯仰角速度信号的自动驾驶仪引入俯仰角速度信号的自动驾驶仪 LLge)(L俯仰角速度信号传动比自动倾斜器的动作比只有角信号

11、时提前了。不仅不会产生严重振荡，还缩短了恢复初态的时间。同时，为增大主控信号L，尽量减小俯仰角稳态误差创造了条件，但不可能彻底消除误差，成为有差控制系统。以上结论也适用于滚转通道，偏航通道。积分式自动驾驶仪俯仰通道原理框图二、积分式自动驾驶仪控制俯仰角二、积分式自动驾驶仪控制俯仰角 基本工作过程 LLdtLge)(q过程分析 仅有角速度信号：L自动倾斜器偏转角速度与俯仰角速度成正比。如当直升机受扰动后如当直升机受扰动后上仰，角速度陀螺输上仰，角速度陀螺输出俯仰角速度，自动出俯仰角速度，自动倾斜器以相应的角速倾斜器以相应的角速度向前偏转产生恢复度向前偏转产生恢复力矩，使直升机向原力矩，使直升机向

12、原状态恢复。当俯仰角状态恢复。当俯仰角速度信号改变符号，速度信号改变符号，自动倾斜器也随之改自动倾斜器也随之改变转动方向。变转动方向。在比例式中起阻尼作用，在积分式作为主控信号与比例式中的角位置信号同等作用 L引入角加速度信号 相当于比例式控制规律中的角速度信号，起阻尼作用，使自动倾斜器的角速度动作相应提前。引入角位置信号)(gLL消除常值力矩作用下的静差。当常值干扰力矩作用达到稳定时，需要自动倾斜器保持一定的偏转角来平衡，这一偏转角不是直接由角位置偏差来提供，而是通过积分来获得。稳定过程中控制信号U由角位置信号、角速度信号和角加速度信号三者合成。LLLUg)(达到稳定时 CdtLge)(q

13、时间响应定性分析时间响应定性分析n角位置信号可使积分式自动驾驶仪消除稳态误差无差控制系统。n工程实际：若角速度陀螺存在一定的不灵敏度，此时又无角位置信号作用，则当直升机姿态角发生缓慢偏离时，角速度陀螺无信号输出，则随时间的积累，会导致大的误差。换而言之，若无角位置信号，积分式自动驾驶仪便无法检验直升机是否按要求的姿态飞行。第四节第四节 侧向角运动控制基本工作原理侧向角运动控制基本工作原理 一、滚转角自动控制原理 绕直升机纵轴的常值干扰力矩一般不大，故滚转通道往往采用绕直升机纵轴的常值干扰力矩一般不大，故滚转通道往往采用与俯仰通道相似的控制规律，各信号作用类似。与俯仰通道相似的控制规律，各信号作

14、用类似。n侧向角运动包括滚转运动和偏航转动。n滚转角和偏航角的控制分别由滚转通道和航向通道来实现。比例式控制律：积分式控制律：LLga)(LLdtLga)(K2)1(3STSK 自 动 倾 斜 器操 纵 杆 )(SKf UZU0 d a 反 馈 元 件 L L L G(S)gU g U U 测 量 元 件 积分式自动驾驶仪结构图比例式自动驾驶仪结构图AII-34BAII-34B型自动驾驶仪滚转角控制原理型自动驾驶仪滚转角控制原理n比例式自动驾驶仪 倾斜 同步 发送 器 补偿传感器 倾斜同步接受器 位置反馈 放 大 器 舵机 限幅器 自动倾斜器 直升机 角速度陀螺仪 驾驶员 驾驶杆 g a 二、

15、航向角自动控制原理 简单的航向稳定控制结构 自动稳定与控制航向原理与俯仰、滚转类似，由航向通道控制尾桨实现。可以用比例式或积分式自动驾驶仪控制规律。KKgr)(KKdtKgr)(比例式：积分式：KKK,为偏航角、偏航角速度和偏航角加速度到尾桨的传动比。q简单自动驾驶仪航向通道原理 给定元件 放大器 舵机 直 升 机 反馈 速度陀螺 航向陀螺 g gU U U U r 通过测量偏航角，使舵机控制尾桨桨距来消除航向偏差。由于没有信号交联到驾驶杆操纵系统，不可能消除侧滑。要消除航向控制过程中的侧滑，通常驾驶员适当操纵驾驶杆来协助。AII-34BAII-34B型自动驾驶仪自动稳定航向原理型自动驾驶仪自

16、动稳定航向原理 n比例式自动驾驶仪 航 向 系 统 位置反馈 放 大 器 舵机 限幅器 自动倾斜器 直升机 角速度陀螺仪 g r 航向稳定控制 n直升机纵轴在水平面内的偏航转动取决于偏航力矩。偏航力矩可由尾桨桨距变化或侧滑产生。n空速向量在水平面内的转动，取决于侧向力。侧向力由旋翼锥体左右倾斜时总拉力T沿横轴的分量和尾桨拉力产生，或侧滑产生。n确保直升机航向稳定，应将直升机纵轴和空速向量都稳定在给定的航向上，就必须控制偏航力矩和侧向力。直升机前飞中，由于其质量大，速度快，使得改变速度向量的方向比改变纵轴的方向困难的多，二者在转动过程中往往纵轴转动快，速度向量转动慢，从而产生侧滑。v侧滑不利因素

17、：n驾驶员，乘员不适之感。n转弯半径大。n增大阻力。n机动性差。n不利导航、瞄准。稳定控制航向时须防止侧滑发生。q驾驶员稳定直升机航向方法 n以直升机出现右偏航为例：驾驶员从罗盘指示器上看到后，随即操纵直升机向左转弯，使之恢复到原航向。此时驾驶员的操纵方法有三种可能：蹬左舵（偏航力矩先改变）-直升机做带右侧滑的左转弯。蹬左舵尾桨桨距改变航向操纵力矩Tjlj（增量）机头左偏转，纵轴偏离航迹，出现右侧滑。（速度矢量在纵轴右边）机头向左偏转过程中，会出现阻转力矩。气流自右向左吹过尾桨，产生航向静安定力矩。二者使机头向左偏转的角速度减小并力图制止侧滑角的增大。当空速转动角速度增大到与机头偏转角速度y相

18、等时，侧滑角不再增大。这种侧滑常成为外侧滑。向左压杆(速度矢量先改变）-直升机作带左侧滑的左转弯n左压杆旋翼锥体向左偏拉力T的水平分量Tz增大与尾桨拉力平衡打破空速向量方向偏向直升机纵轴左边形成左侧滑。n左侧滑同时产生航向静安定力矩，使机头随速度向量一起向左偏转以减小侧滑角。n机头偏转同时产生阻转力矩，阻止机头向左偏转，减小侧滑角。当阻转力矩与航向安定力矩平衡时，侧滑角保持一定。这种侧滑常成为内侧滑。一面蹬左舵，同时一面适当左压杆 n（蹬左舵）让尾桨产生航向操纵力矩，使机头向左偏转。n（压左杆）让旋翼产生侧向力，使空速向量随机头一起向左偏转。消除可能产生的外侧滑。一面左压杆，一面蹬左舵（压左杆

19、）侧向力使空速向量向左偏转。（蹬左舵）产生航向操纵力矩，使机头随之一起向左偏转，消除可能产生的内侧滑。只压杆会产生内侧滑，只蹬舵产生外侧滑。第五节第五节 协调转弯协调转弯-无侧滑角飞行状态无侧滑角飞行状态n协调转弯是直升机航向控制的一种特定状态。直升机在水平面内连续改变飞行方向，即稳定转弯，在此过程中滚转与偏航两运动耦合影响最小。定义（规定）：在稳定转弯过程中，保持滚转角、转弯角速度、空速和高度不变的转弯称为协调转弯。v受力分析0HGmgTcos0mVTsin高度不变 无侧滑角 n空速一定时，转弯角速度和滚转角近似成正比。要加快转弯，必须增大滚转角，空速不同，要获得同样的转弯角速度必须调整滚转

20、角。sinmVTtgVgmVmgsincostgVgv协调转弯实现 要使直升机纵轴在水平面内以角速度转动，需要：n控制尾桨桨距，使直升机绕竖轴以y转动。n操纵驾驶杆，使直升机绕横轴以z转动 )1cos,0(,coscoscosysinsincosZsin3.57sincosVgVgtgVgysin3.57sintgVgtgVgz（弧度/秒）（弧度/秒）（度/秒）（度/秒）v协调转弯条件 n驾驶杆纵向操纵（z）会带来旋翼拉力垂直分量的变化，为保持高度不变，还需同时相应操纵油门变距杆。n总之，要实现协调转弯，必须同时操纵驾驶杆、脚蹬、油门变距驾驶杆、脚蹬、油门变距杆杆，使三者配合动作。tgVgsi

21、nVgysintgVgzq左转协调转弯 n向左压杆，使自动倾斜器左偏转，产生向左滚转角n达到要求值后收回驾驶杆n与此同时蹬左舵，产生y转动动作n适当上提油门杆并向后带动驾驶杆，以适应z转动要求。v协调转弯自动驾驶仪控制律 n利用航向和横滚两通道交联，可实现协调转弯。n转弯信号分别加入到航向、横滚两个通道，建立滚转角和转弯角速度。n同时在航向通道引入侧向加速度信号，因为侧向加速度近似反映侧滑角，以减小侧滑。v积分式协调转弯控制律（无交联信号）航向舵回路 尾桨变距 传动机构 直 升 机 侧向加速度 航向角速度陀螺 微分电路 周期变距 传动机构 滚转舵回路 倾斜角速度陀螺 微分电路 垂直陀螺 g r

22、 a g LLLga)(KKKgr)(v比例式协调转弯控制规律（有交联信号）n先建立一定的滚转角，机体滚转。空速向量转动后，再给方向通道引入滚转角信号控制尾桨，使直升机纵轴跟随空速向量转动。LLga)(KKKr 航向舵回路 尾桨变距 传动机构 直 升 机 侧向加速度 航向角速度陀螺 周期变距 传动机构 滚转舵回路 倾斜角速度陀螺 L 垂直陀螺 r a g K v高度补偿高度补偿 总距 舵回路 放大器 c U 垂直陀螺 U 直升机机体滚转后，旋翼拉力不在铅垂平面，有效升力（拉力的垂直分力）小于重力，使直升机掉高。其原理是：滚转后由垂直陀螺测量滚转角，输出与滚转角绝对值成正比的电信号，经信号处理、放大后送给总距舵回路，通过总距舵机增大总距，进而使拉力增大，其垂直分量（有效升力）增加，保持飞行高度。具有这种高度补偿的总距控制规律总距控制规律为：KHKHKHHcv另一种高度补偿方法另一种高度补偿方法 利用正矢信号发生器替代上述非线性电路利用正矢信号发生器替代上述非线性电路 总距 舵回路 放大器 c U 垂直陀螺 U coscos1 转弯时，垂直陀螺测量滚转角信号，同样增大总距操纵量，补偿高度损失。相应的控制规律为：coscos1KHKHKHHc