速度与马赫数控制15

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1、第五章 典型飞行控制系统分析,空速与马赫数的保持与控制,内容,姿态控制系统的构成与工作原理 纵向姿态稳定与控制 侧向姿态稳定与控制,5.6 空速和马赫数的保持与控制,5.6.1 飞行速度保持与控制的作用 5.6.2 速度保持与控制系统的构成与工作原理 通过升降舵偏转来改变俯仰角从而实现速度控制 自动油门系统,5.6.1 飞行速度控制系统的作用,飞行速度控制系统是在近三十年中发展起来的,它比角运动控制系统与轨迹运动控制系统出现得要晚一些. 随着航空事业的发展,要求飞机在恶劣的气象条件下自动进场着陆.而着陆任务本身又要求有较高的速度控制精度:速度偏低则受临界迎角的限制;若速度偏高又受到襟翼、刹车板

2、等结构强度的限制。 飞机的控制可归结为控制: 飞行速度V的方向-高度的控制 飞行速度V的大小-速度的控制:将改善超音速飞机的速度稳定性,阻尼飞机长周期运动,是飞机轨迹控制的必要前提.,5.6.1 飞行速度控制系统的作用,飞机切向增量运动方程为: 故: 其相应的结构图为:,+,+,+,+,-,上图表明:引起飞机切向加速度变化 的诸因素为飞机本身的速度变化 ,迎角与俯仰角变化 , ,及发动机油门杆的角位移 .,飞机的法向增量运动方程为:,则上式可写成:,其相应的结构图为:,+,+,+,-,上图表明:导致飞机航迹角变化 的诸因素:飞行速度的变化 ,迎角的变化 以及舵的偏转角 .,-,飞机的纵向力矩平

3、衡方程为:,将上式写成如下形式:,其相应的结构图为:,上图表明:引起飞机俯仰角变化 的因素中除了角参量的变化飞行速度的变化 , , , 以外,还应考虑飞行速度的变化 .,+,+,+,+,-,+,+,+,+,+,+,-,+,+,+,+,+,+,-,+,+,+,-,-,+,+,-,飞机纵向全面运动结构图,5.6.1 飞行速度控制系统的作用,飞行速度保持与控制能保证飞机在低动压下平飞时，仍具有速度的稳定性 飞行速度的保持与控制是轨迹控制的必要前提 当进行跨音速飞行时能够保持速度稳定,5.6.1 飞行速度控制系统的作用,若不计舵面偏转后所产生的法向力,即,则飞机的法向增量运动方程可写成:,欲保持飞机在

4、纵向平面内飞行方向不变,如水平飞行,则必须使 这样,由上式可得:,上式说明: 若速度增大V,为保持原飞行方向不变,则必须减小迎角,使升力增量为零.因 ,故 ,也就是飞机必须以低头的形式来减小迎角. 即:驾驶员为保持平飞,在使飞机加速的同时总是推驾驶杆使飞机低头.,将 代入飞机的切向运动方程式,则得: 将 代入上式,最终得: 在上式中当气动系数满足: 则出现速度不稳定.将上式汇成结构图并加以说明:,+,+,-,-,由右图可知:速度向量V通过气动参数构成两条反馈通道.,负反馈 速度自平衡性,正反馈,在平飞条件下,速度增大V时,飞机必须低头产生负迎角增量,而又导致速度继续增加.,在平飞条件下,速度增

5、大V时,飞机必须低头产生负迎角增量,而又导致速度继续增加.由此可知: 速度是否稳定取决于这两种反馈量的强弱:当正反馈强于负反馈量时,则出现速度不稳定. 当飞机工作在低动压时,由于反映机动性能的系数Z减小, 使速度不稳定的可能性增加. 十分明显:在低动压状态下平飞,要获得速度稳定,设置速度控制系统是十分必要的的.,+,+,-,-,负反馈 速度自平衡性,正反馈,在平飞条件下,速度增大V时,飞机必须低头产生负迎角增量,而又导致速度继续增加.,5.6.1 飞行速度控制系统的作用 -飞行速度的控制是角运动控制的必要前提,如果对空速不进行人工或自动控制,那么对航迹倾斜角的控制就不能达到预期的目的. 控制飞

6、机航迹角的过程:操纵舵面 改变飞行姿态 迎角变化 升力增量变化 速度向量以非周期动态过程的形式跟踪姿态角的变化,即 ,最终=一致.但以上这一切是以假设V=0为前提的. 为了使V=0: 人工驾驶时在拉驾驶杆同时应推油门; 无人驾驶时在输入g信号的同时给油门控制系统一个相应的信号,尤其在低动压着陆状态更需如此.,因为 ，飞行速度的保持与控制跟高度的稳定与控制之间存在着耦合关系，即：如果通过控制角运动来控制航迹，那就需要保证飞行速度的稳定。,V,XT,Z0,XT,V,-,-Z,原因:若飞机原为水平飞行,欲使飞机爬升,需操纵升降舵上偏使机头抬起,经几秒钟的短周期过程后,力与力矩都已平衡,迎角近似不变,

7、而 ,由于飞机抬头使重力在速度反方向的投影Gsin增加,迫使速度下降.从而出现负的升力增量-L,产生- .使速度向量逐渐向下偏转,迎角增加,直至力与力矩获得重新平衡为止.在低动压状态下迎角的增加大于姿态角的增加,从而出现- ,飞机最终不但不爬高反而出现下滑.,(a),(b),(c),5秒-10秒,30秒-100秒,5.6.1 飞行速度控制系统的作用 -当进行跨音速飞行时能够保持速度稳定,Cmv表示速度变化时对于俯仰力矩的影响。亚音速时由于Cmv为正值，则随着飞行速度增加，飞机将趋于上仰，结果使得阻力和沿着X轴的重力分量增大，从而导致飞机的速度下降，因此这是一个稳定的过程。 当进入跨音速飞行时，

8、随着M数的提高，飞机焦点后移，结果会产生使飞机低头的趋势，此时的Cmv出现负值。此时若速度增大V，由于下俯力矩使飞机低头，但这样又使V更大，从而可能导致速度不稳定，出现长周期运动发散。 对于飞机而言，由于跨音速阻力的急剧增加，或者随着马赫数增加导致控制效率下降，也会引起在临界马赫数附近的自动俯冲趋势效应。 故：当飞机进入跨音速时应采取M数自动配平系统或速度控制系统以稳定飞行速度。,5.6.2 速度保持与控制系统的构成与 工作原理,由切向力方程可知,飞机俯仰角的变化,或油门杆角位移的变化T能使飞行速度发生变化.由此引出控制速度的两种方案: 通过控制升降舵,改变俯仰角以达到速度控制; 通过控制油门

9、杆位移,改变发动机推力以达到速度控制. 改变俯仰角的物理实质是:改变重力G在飞行方向上的投影,从而引起飞行加速度的变化.因此可在角位移控制系统的基础上增加一个速度控制的外回路即构成速度控制系统.与高度控制系统一样,角控制系统也是速度控制系统的内回路. 如果将下图中的空速传感器换成马赫数传感器，就可以实现马赫数的自动控制。在这个方案中，由于油门杆固定不变，只是通过升降舵来控制飞行速度，因此飞行速度的调节范围是有限的。,空速 传感器,俯仰自动驾驶仪,飞机,Vg,+,-,e,V,5.6.2 速度保持与控制系统的构成与 工作原理-自动油门系统,在用油门杆控制的速度控制系统时,如果锁住升降舵,则达不到速

10、度控制的预期目的。油门杆作阶跃位移后的结果,往往是速度最终没有变化,而俯仰角反而变化了. 油门杆移动+ T使速度增大V, + L + ,使速度向量向上偏转,从而使迎角减小，使飞机抬头产生以保持迎角不变=0. 接着重力在推力的反方向的投影增加,迫使速度下降到原来的值。 所以:油门杆移动的结果由于飞机姿态发生了变化,所以达不到控制速度的目的. 自动油门系统就是通过控制油门的大小，改变发动机推力从而实现控制速度的目的。,自动油门控制,发动机,飞机,Vg,+,-,T,V,自动 驾驶仪,e,(h,),5.6.2 速度保持与控制系统的构成与 工作原理,自动油门控制,发动机,飞机,Vg,+,-,T,V,自动

11、 驾驶仪,e,两种控制速度的方案存在的差异： 如果自动驾驶仪工作在高度保持状态，空速向量处于水平方向，则重力在切向上的投影为零。如果增加油门，则发动机的推力增量将全部反映在增加空速上。 如果自动驾驶仪工作在俯仰角保持状态，则控制油门产生的发动机推力变化，只有一部分反映在空速中，因为当进行无滚转角飞行时，俯仰角与迎角和航迹倾角满足关系式=+，所以除反映在空速变化中的发动机推力之外，其余部分的发动机推力只引起了迎角和航迹倾角的变化和高速的变化。,升降舵控制的速度控制系统,用途: 在一定高度上的编队飞行 升降飞行 结构图,Vg,+,-,e,V,-,-,+,+,在已有的俯仰角位移控制系统基础上增加一个

12、能感受速度变化的外回路,即构成升降舵控制的速度控制系统,控制规律:,当垂直陀螺断开时,控制规律为:,对长周期起阻尼作用,控制 信号,稳定 作用,(1)VVg A/P工作,(2) (3),飞机抬头,飞机抬头,重力在推力反方向的分量增加 速度降低,逐渐回到原来的速度上飞行.,控制发动机油门的速度控制系统,用途: 巡航飞行; 进场着陆的空速稳定与控制. 飞机的数学模型 由于有角稳定系统的工作,使 . 若不计 ,则飞机的法向力方程为: 其传递函数为: 即:当速度增加时,速度向量 向上偏转以减小迎角来获得 法向力平衡.,-1,+,+,V,控制发动机油门的速度控制系统,当 ,飞机切向力方程的拉氏变换为:

13、将式 代入上式得: 故:最终可得控制油门杆时飞行速度变化的传递函数:,-,+,根据上式可画出结构图如:,式中 比 大一个数量级以上,故可作一些简化处理.分母,是一个非振荡的二阶系统它可分解成两个实极点.其中一个很接近零点,另一个实极点设为s=-v很靠近坐标原点.从而使传递函数近似为一个非周期环节:,通常 比较小,即时间常数比较大,说明利用加大油门杆来控制速度的过程比较长.,速度控制系统结构图,-,+,+,+,+,+,+,+,-,速度给定器,积分器,油门杆伺服器,发动机,飞机,切向加速度传感器,空速传感器,工作情况如下: 驾驶员通过速度给定器给出空速信号 ,若它与空速传感器给出的信号 不一致,则

14、形成误差信号 ,并进入油门杆伺服系统,由它改变发动机推力以控制飞行速度V,最终V与Vg相一致. 为了改善控制过程的动特性,引入空速的微分信号. 为了提高控制精度,有时还引入积分信号.,速度控制系统的控制对象包括两部分:发动机和飞机. 从发动机油门杆的位移到建立一定的推力的过程是一非周期过程,其时间常数Tg长达3秒至10秒或更长一些时间; 飞机速度对于推力的反应过程又是一个时间常数较大的非周期过程. 所以:整个飞行速度控制系统的动态过程是缓慢的. 当俯仰角位移系统处在控制状态时,如:着陆时由水平飞行过渡到下滑状态时,输入控制信号 使飞机低头.此时对速度控制系统相当于外加一个干扰信号使飞机加速产生 .,提高速度控制精度的措施,合理选择控制规律:如只选择如下形式简单的控制规律,则对控制量Vg及干扰g均会产生静差. 增大 可减小误差,但受稳定性的要求,所以为了选取较大的 值,可引入空速的微分信号. 的提高使油门杆抖动而降低动态性能,故改善精度的有效措施应在控制规律中引入积分信号. 对干扰作用所产生的误差进行开环补偿; 抑制高频干扰信