先进飞行控制系统绪论

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1、先进飞行控制系统先进飞行控制系统陈澜陈澜 飞行控制系统飞行控制系统 吴森堂 主编绪论绪论本课程内容安排本课程内容安排飞行控制系统飞行控制系统飞行器的基本分类及特点飞行器的基本分类及特点航空航天事业发展航空航天事业发展绪论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。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

2、指地表以外包围地球的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。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按照距地球高度划分通常大致可以把100120千米以下的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；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；而而100120千米以上地球稠密大气层之外的广阔的空间区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。域，简称空间或外空，又称为宇宙空间或太空。绪论绪论在在1981年召开的国际宇航

3、联合会第年召开的国际宇航联合会第32届大会上，陆地、海届大会上，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。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。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，航天技术主要是航空技术主要是研制飞机、气球和飞艇

4、等，航天技术主要是研制航天器、运载火箭和导弹。研制航天器、运载火箭和导弹。 这门课主要研究航空器这门课主要研究航空器-飞飞机。机。1.1 航空航天发展概况航空航天发展概况 1.1.1 航空发展概况航空发展概况 航空是航空是20世纪发展迅速、对人类社会影响巨大的科学世纪发展迅速、对人类社会影响巨大的科学技术领技术领 域之一。域之一。20世纪初，美国的莱特兄弟（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）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，开创了现代人类首次持续的，有动力的，可操纵的飞行，开创了

5、现代航空的新纪元。航空的新纪元。莱特兄弟莱特兄弟在技师泰勒的帮助下，自己动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手设计制造的活塞式汽油发动机功率为功率为1212马力马力( (长期长期)-16)-16马力马力( (短期短期) )重量约重量约7777公斤公斤为人类首次有动力、稳定、可操纵的持为人类首次有动力、稳定、可操纵的持续飞行提供了发动机，续飞行提供了发动机，开创了人类飞行开创了人类飞行的新纪元。的新纪元。19031903年年1212月月1717日日飞行者一号飞行者一号莱特兄弟莱特兄弟第一架飞机1.1.1 航空发展概况航空发展概况发动机发动机服役年代服役年代典型特点典型特点涡喷

6、发动机涡喷发动机第第一一代代4040年代末年代末第第二二代代加力涡喷加力涡喷/ /涡扇涡扇50-6050-60年代年代第第三三代代推重比推重比8 8涡扇发动机涡扇发动机70-8070-80年代年代第第四四代代2121世纪初世纪初喷气战斗机大致发展了四代喷气战斗机大致发展了四代超声速巡航、隐超声速巡航、隐身、非常规机动身、非常规机动2 2倍以上声速倍以上声速2 2万米以上高度万米以上高度 从从2020世纪世纪4040年代末到年代末到2121世纪初，喷气战斗机及其发动机世纪初，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。已经历了四次更新换代，大致发展了四代。典型飞机典型飞机F-86F

7、-86、米格、米格-15-15亚、跨声速亚、跨声速(M1.5)(M1.5)F4F4、F104F104、米格、米格-21/23-21/23F15/16F15/16、米格、米格-29-29、苏、苏-27-27高机动空中优势高机动空中优势多用途多用途推重比推重比1010涡扇发动机涡扇发动机F22/35F22/35、I.44I.44高性能的发动机使第三代战斗机具有优良的机动性高性能的发动机使第三代战斗机具有优良的机动性俄俄罗罗斯斯苏苏-27在在珠珠海海航航展展上上的的飞飞行行表表演演，表表现现出出第第三三代代发发动动机机推推重重比比高的特点。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高性能

8、的发动机使第三代战斗机具有优良的机动性苏苏-27双双机机在在珠珠海海航航展展上上表表演演著著名名的的“眼眼镜镜蛇蛇”机机动动飞飞行行，表表现现出出第第三三代代发发动动机机抗抗畸畸变变能能力力强强（即即泼泼辣辣性性好好）的的特点。特点。第四代喷气战斗机第四代喷气战斗机 第四代战斗机正在研制，并即将服役。预计第四代战斗机正在研制，并即将服役。预计第四代战斗机将成为第四代战斗机将成为2121世纪上半叶的主力战斗机世纪上半叶的主力战斗机。第四代战斗机。第四代战斗机装备推重比装备推重比1010一级发动机，一级发动机，具备具备推力矢量、隐身、超声速巡航推力矢量、隐身、超声速巡航等功能，其等功能，其作战性能

9、将全面超过现役的第三作战性能将全面超过现役的第三代战斗机。代战斗机。 据报道，美国的第四代战斗机据报道，美国的第四代战斗机F-22F-22与第三代战斗机与第三代战斗机F-15F-15相比，其综相比，其综合作战效能提高近合作战效能提高近1010倍。倍。 第第 4 4 代战斗机的主要特点如下：代战斗机的主要特点如下： 采用推重比采用推重比1010一级加力涡扇发动机一级加力涡扇发动机 具有推力矢量功能具有推力矢量功能 非常规机动能力（敏捷性）非常规机动能力（敏捷性） 超视距、多目标攻击能力超视距、多目标攻击能力 具有短距起落能力具有短距起落能力 良好的隐身性能良好的隐身性能 超声速巡航能力超声速巡航

10、能力 F-35(JSF)采用推力矢量喷采用推力矢量喷管，通过改变喷管，通过改变喷气流方向来改变气流方向来改变推力方向，使飞推力方向，使飞机获得直接的操机获得直接的操纵力，实现非常纵力，实现非常规机动，提高敏规机动，提高敏捷性。捷性。四代发动机采用矢量喷管提高飞机敏捷性四代发动机采用矢量喷管提高飞机敏捷性配装配装F22F22战斗机的战斗机的F119F119发动机二元推力矢量喷管发动机二元推力矢量喷管改装轴对称矢改装轴对称矢量喷管发动机量喷管发动机的俄罗斯苏的俄罗斯苏-37-37战斗机进行非战斗机进行非常规飞行表演常规飞行表演（钟形机动、（钟形机动、榔头机动）榔头机动）四代发动机采用转向喷管实现垂

11、直四代发动机采用转向喷管实现垂直/短距起落短距起落F-35F-35联合攻击机所使用的第四代推重比联合攻击机所使用的第四代推重比1010一级一级F-135F-135发动机发动机采用转向喷管采用转向喷管+ +升力风扇实现垂直升力风扇实现垂直/ /短距起落短距起落采用转向喷管采用转向喷管/ /升力风扇的美国升力风扇的美国F-35F-35联合攻击机联合攻击机F-117F-117隐形攻击隐形攻击机采用了扁平状机采用了扁平状的矩形二元喷管，的矩形二元喷管，具有良好的红外具有良好的红外隐身性能。在参隐身性能。在参加的数次局部战加的数次局部战争中，只被击落争中，只被击落1 1架，显示出强架，显示出强大的生存能

12、力。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。飞机实现超声速飞行，使飞机性能得到了重大提高。美国美国F-22F-22战战斗机在斗机在1111公公里高空里高空巡航巡航速度达到声速度达到声速的速的1.51.5倍左倍左右。右。 19世世纪纪末末20世世纪纪初初，一一些些国国家家的的航航天天科科学学家家开开始始研研究究、解解决决有有关关航航天天的的科科学学理理论论和和工工程程技技术术问问题题，并并着着手手进进行行火火箭箭的的设设计计和和试试验验。经经过过大大约约半半个个世世纪纪的的努努力力，人人

13、类类终终于于把把人人造造地球卫星送入了太空，从而开创了航天的新纪元。地球卫星送入了太空，从而开创了航天的新纪元。 1.1.2 航天发展概况航天发展概况 自自1957年年10月月第第一一颗颗人人造造地地球球卫卫星星上上天天以以来来，先先后后有有苏苏联联、美美国国、法法国国、日日本本、中中国国、印印度度等等国国家家，以以及及欧欧洲洲空空间间局局研研制制出出近近百百种种运运载载火火箭箭；修修建建了了十十多多个个大大型型航航天天器器发发射射中中心心；设设计计制制造造了了三三千千多多棵棵人人造造地地球球卫卫星星；一一百百多多个个载载人人飞飞行行器器和和空空间间探探测测器器；建建立立了了完完善善的的跟跟踪

14、踪和和测测控控系系统统，地地面面模模拟拟试试验验设设施施和和数数据据处处理理系系统统。约约有有近近六六十十个个不不同同用用途途的的应应用用卫卫星星系系统统投投入入运运行行。航航天天站站已已能能在在太太空空持持续续运运行行近近五五年年。航航天员可以在太空持续工作近天员可以在太空持续工作近300天。天。 1.1.2 航天发展概况航天发展概况 美美国国航航天天飞飞机机成成功功地地进进行行了了几几十十次次的的飞飞行行，完完成成了了运运送送和和回回收收卫卫星星的的双双向向运运载载任任务务，成成为为人人类类沟沟通通地地球球和和太太空空的的理理想想航航天天运运输输工工具具，使使航航天天活活动动进进入入一一个

15、个新新阶阶段段。已已有有18个个国国家家的的约约200名名航航天天员员进进入入了了太太空空，12个个人人踏踏上上了了月月球球。空空间间探探测测器器已已成成功功地地考考察察了了太太阳阳系系的的许许多多行行星星；实实现现了了在在金金星星和和火火星星上上的的软软着着陆陆；探探测测了了水水星星、木木星星、土土星星；有有的的还还将将飞飞出出太阳系，对宇宙进行科学探索。太阳系，对宇宙进行科学探索。1.1.2 航天发展概况航天发展概况 我我国国航航空空事事业业的的蓬蓬勃勃发发展展是是在在新新中中国国成成立立后后开开始始的的。50年年代代初初我我国国才才刚刚刚刚组组建建起起航航空空工工业业管管理理局局，成成立

16、立飞飞机机、发发动动机机和和材材料料工工艺艺等等方方面面的的研研究究机机构构。1954年年研研制制出出我我国国第第一一架架教教练练机机（初初教教-5）。1956年年试试制制成成功功第第一一架架喷喷气气歼歼击击机机（歼歼-5）。1958年年小小型型多多用用途途的的运运输输机机（运运-5）投投入入广广泛泛使使用用。同同年年。自自行行设设计计制制造造了了初初教教-6。1959年年第第一一架架超超音音速速喷喷气气歼歼击击机机歼歼-6飞飞上上蓝蓝天天，实实现现了了我我国国航航空空工工业业从从修修理理到到制制造造、从仿制到自行设计生产的重大转变。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

17、事业概况我国的航空航天事业概况 60年年代代初初建建立立了了中中国国航航空空研研究究院院和和一一整整套套的的科科研研、生生产产和和教教育育机机构构，全全面面开开始始从从事事飞飞机机、发发动动机机、仪仪表表、电电器器、附附件件、电电子子设设备备、自自动动控控制制和和航航空空武武器器的的设设计计研研究究。大大力力开开展展了了空空气气动动力力、结结构构强强度度、燃燃气气涡涡轮轮、风风洞洞技技术术、生生命命保保障障、材材料料工工艺艺、导导航航控控制制、系系统统仿仿真真和和飞飞行行试试验验等等方方面面的的应应用用研研究究。中中国国的的航航空空工工业业形形成成了了科科研研、生生产产和和教教育育密密切切结结

18、合合的的完完整体系。整体系。 1.1.3 我国的航空航天事业概况我国的航空航天事业概况 70年年代代初初，我我国国生生产产制制造造的的全全天天候候高高速速歼歼击击机机和和低低空空性性能能优优异异的的强强击击机机都都正正式式装装备备了了部部队队，各各种种新新型型飞飞机机也也日日益益增增多多。现现在在我我国国已已能能研研制制、生生产产各各种种型型号号的的歼歼击击机机、轰轰炸炸机机、强强击击机机、直直升升机机、侦侦察察机机以以及及各各种种型型号号的的战战术术导导弹弹，为为空空军军、海海军军提提供供了了军军事事技技术术装装备备，满满足足了了民民航航事事业业的的部部分分需需要要，并并向世界上一些国家出口

19、。向世界上一些国家出口。 1.1.3 我国的航空航天事业概况我国的航空航天事业概况参加国庆参加国庆 50周年空中阅兵式的飞机周年空中阅兵式的飞机“轰轰6”轰炸机轰炸机“轰轰6”加油机加油机“飞豹飞豹”歼击歼击/轰炸机轰炸机“歼歼7”战斗机战斗机“歼歼8II”战斗机战斗机“苏苏27”战斗机战斗机“直直9”直升机直升机“轰六轰六”型轰炸机型轰炸机高亚声速中程战略轰炸机高亚声速中程战略轰炸机1968 年底首飞，年底首飞，1969 年投产，有轰年投产，有轰六甲、轰六丁、空六甲、轰六丁、空中加油机等改型，中加油机等改型，是我国生产的最大是我国生产的最大的军用飞机的军用飞机起飞重量起飞重量 73800 公

20、斤公斤载弹量载弹量 3000 公斤公斤 最大最大 9000 公斤公斤巡航速度巡航速度 M 0.75最大航程最大航程 6000 公里公里1967年年10月月16日徐克勤驾驶轰六日徐克勤驾驶轰六成功地投放氢弹成功地投放氢弹 “飞豹飞豹” 歼击歼击/轰炸机轰炸机我国自行研制的双我国自行研制的双座、双发、多用途座、双发、多用途全天候超声速歼击全天候超声速歼击轰炸机轰炸机1998年年11月珠海航月珠海航空航天博览会上首空航天博览会上首次公开亮相次公开亮相, 并作并作了极为精彩的飞行了极为精彩的飞行表演，给世人一个表演，给世人一个惊喜！惊喜！飞行中的飞行中的“飞豹飞豹”最大平飞速度：最大平飞速度：M 1.

21、7 航程：约航程：约3600公里公里 起飞重量：起飞重量：28400公斤公斤 外挂重量：外挂重量：6500公斤公斤最大平飞速度最大平飞速度( (高空高空) )：M 2.05M 2.05 （约（约21772177公里公里/ /小小时）时）航程：航程： 约约 15001500公里公里起飞重量：起飞重量： 7370 7370 公斤公斤 1966 年年 1月月 17 日首飞，为典型的第日首飞，为典型的第2代战斗机代战斗机有多种改型：有多种改型：歼七歼七、歼七、歼七、 歼七歼七M、歼七歼七、歼七、歼七MG、歼七歼七E、歼教七歼教七等。等。空、海军分别用它击落入侵敌机空、海军分别用它击落入侵敌机7 架，高

22、空侦察气球架，高空侦察气球 300 余个。余个。空军八一飞行表演大队使用空军八一飞行表演大队使用歼七歼七E。“歼七歼七”系列战斗机系列战斗机“歼八歼八”战斗机战斗机我国自行研制的高空、高速全天候战斗机我国自行研制的高空、高速全天候战斗机属第属第2 2代战斗机代战斗机设计工作始于设计工作始于19831983年年19841984年年6 6月月1212日首飞，随后投入生产。日首飞，随后投入生产。最大飞行速度：最大飞行速度：M 2.2 起飞重量：起飞重量：15258 公斤公斤“苏苏-27” 型战斗机型战斗机俄制第俄制第3 3代多用途空中优势战斗机，代多用途空中优势战斗机，19841984年服役，为俄罗

23、斯现役主力年服役，为俄罗斯现役主力战斗机，也是目前世界上最先进战斗机，也是目前世界上最先进的战斗机之一。的战斗机之一。最大平飞速度最大平飞速度 M 2.36起飞重量起飞重量 22000公斤公斤航程航程 3900公里公里作战半径作战半径 1500公里公里 “直九直九”轻型、多用途直升机轻型、多用途直升机 起飞重量：起飞重量：3850 3850 公斤公斤最大平飞速度：最大平飞速度：306 306 公里公里/ /小时小时 航程：航程：10001000公里公里1980年引进法国专年引进法国专利进行生产利进行生产1992年国产化的直年国产化的直九首飞成功。九首飞成功。强强5 5强击机强击机超超7 7“枭

24、龙枭龙”战斗机战斗机建国建国5050年，航空工业如同其它行业一样，年，航空工业如同其它行业一样，有突飞猛进的发展，到有突飞猛进的发展，到1998 1998 年底，年底，共生产军机共生产军机 13000 13000 余架，民机余架，民机 1500 1500 余架，发动机余架，发动机 5 5 万余台，万余台，为国防建设、国民经济作出了重大贡献。为国防建设、国民经济作出了重大贡献。运运7 7运输机运输机运运8 8运输机运输机1.2 飞行器的基本分类及组成飞行器的基本分类及组成1.2.1 航空器分类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，升力由空气的轻于空气的飞行器又称空气静

25、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。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

26、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飞行器飞行原理-三种基本途径（两种需要动力）：三种基本途径（两种需要动力）：1.2.1 航空器分类航空器分类基于基于柏努利原理，柏努利原理，飞机飞行的三个基本条件：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喷气式飞机的几个第一飞得最快的飞机飞得最快的飞机速度：速度：3529.47km/h机型：美国机型：美国SR71时间：时间：1976年年7月月28日日喷气式飞机的几个第一喷气式飞机的几个第一飞得最高的飞机飞得最高的飞机高度：高度：37650米米机型：前苏联机型：前苏联M

27、ig25时间：时间：1977年年8月月31日日喷气式飞机的几个第一喷气式飞机的几个第一载重最多的飞机载重最多的飞机最大载重：最大载重：275吨吨机型：俄罗斯机型：俄罗斯An-225时间：时间：2001年年5月月7日日飞得最快的超声速客机飞得最快的超声速客机-协和号协和号飞得最远的飞机飞得最远的飞机-旅行者号旅行者号形形色色的各种军用飞机形形色色的各种军用飞机战略轰炸机战略轰炸机预预 警警 机机反反 潜潜 机机军军 用用 运运 输输 机机侦侦 察察 机机电子战飞机电子战飞机空空 中中 加加 油油 机机无无 人人 机机气球气球齐柏林飞艇齐柏林飞艇1.2 飞行器的基本分类及组成飞行器的基本分类及组成

28、1.2.2 航空器航空器-飞机的组成飞机的组成 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。力装置、起落架等部件连成一个整体，构成飞机。1.2.2 航空器航空器-飞机的组成飞机的组成1.2.2 航空器航空器-飞机的组成飞机的组成机身：机身：主要用来装载乘员、旅客、武器、货物和机载设备。主要用来装

29、载乘员、旅客、武器、货物和机载设备。机翼：机翼：是飞机产生升力的主要部件，以支持飞机在空中飞行。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：稳定操纵机构：包括水平尾翼、垂直尾翼、副翼、升降舵、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。和平衡，控制飞机的姿态和方向。起落架：起落架：用于支撑飞行和进行起飞、着陆时的滑跑。用于支撑飞行和进行起飞、着陆时的滑跑。动力装置：动力装置：是飞机上产生推力和拉力，推动飞机前进。它包是飞机上产生推力和拉力，推动飞机前

30、进。它包括发动机及其相关的附件和系统。括发动机及其相关的附件和系统。1.2.2 航空器航空器-飞机的组成飞机的组成飞机的典型操纵方法是：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；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；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，带动方向操纵（绕飞机立轴的运动）是靠飞行员蹬脚蹬板，带动方向舵

31、偏转来完成的。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）、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。或连杆（硬式），或二者兼用（混合式）来传动的。 1.3 飞行控制系统飞行控制系统1.3.1 飞行自动控制系统的定义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（国家军用标准是这样定义飞行控制系统（Flight Control System, FCS）的：）的：“一种飞机系统，它包括驾驶员或其他一种飞机系统，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信号源进行下述一项或多项控

32、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的控制”。通常分为人工飞行控制（操纵）系统和自动飞行。通常分为人工飞行控制（操纵）系统和自动飞行控制系统。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。的系统。1.3.1 飞行自动控制系统的定义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系统 人工飞行控制（操纵）系统（人工飞行控制（操纵）系统（Manual Flight Control System, MFCS）：直接传递驾驶

33、员的人工操纵指令，或形成）：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而运行。操纵者的意向要求而运行。通常把人工控制称为操纵通常把人工控制称为操纵。它可。它可以包括电的、机械

34、的、液压的和气动的部件。这些部件为控以包括电的、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。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 自动飞行控制系统（自动飞行控制系统（Automatic Flight Control System, AFCS）：）：“自动控制，人不直接参与控制过程。直接操纵自动控制，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或系统是按

35、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。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

36、、重心运动（航迹运动）和飞行速度、改变飞机的机角运动、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。全的控制系统。 飞行控制系统的分系统有：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。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

37、飞行原理飞控系统的基本组成与自动飞行原理1 1）飞控系统的基本组成：）飞控系统的基本组成： 人操纵飞机的过程人操纵飞机的过程 通过飞行员看仪表通过飞行员看仪表大脑判断大脑判断手脚动作手脚动作调调整飞机。在大脑中实现负反馈的过程，这是一个反馈系统整飞机。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。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飞控系统的基本组成与自动飞行原理自动飞行控制过程自动飞行控制过程 若用自动控制系统代替飞行员操纵飞机则上图改为：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飞控系统的基本组成与自动飞行原

38、理2 2）自动飞行原理）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，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连接的，其结果是使飞机趋于原始状态。是按负反馈的原则连接的，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控系统的核心称为称为自动驾驶仪。自动驾驶仪。在飞机

39、调整中，不断与给定要求相对比，按差值调节，从在飞机调整中，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。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飞控系统的目的和作用控制器控制的目的：控制器控制的目的：（1 1）改变飞机（或飞行器）的姿态或空间位置）改变飞机（或飞行器）的姿态或空间位置（2 2）抗干扰）抗干扰即飞机受干扰作用时，控制器可保持飞机的姿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。态或位置不变。 实现上述目的的方法：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

40、置保持或改变。的姿态与位置保持或改变。如何给飞机施加力和力矩：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如何给飞机施加力和力矩实现控制目的的方法实现控制目的的方法控制器控制目的控制器控制目的（1 1）必要条件：控制面）必要条件：控制面 升降舵升降舵纵向运动纵向运动 副副 翼翼侧向运动侧向运动 方向舵方向舵侧向运动侧向运动（2 2）控制设备）控制设备- -执行机构：如何偏转这些飞机上的控制面？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）靠执行机构（如：舵机）1.3.3 飞控系统的目的和作用飞控系统

41、的目的和作用飞行控制系统研究涉及内容飞行控制系统研究涉及内容对象的建模与分析对象的建模与分析控制器的设计控制器的设计闭环系统分析闭环系统分析1.3.3 飞控系统的目的和作用飞控系统的目的和作用（1 1）改善飞机飞行品质）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），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。提高飞机稳定性。操纵、控制特性：减轻飞行员的负担操纵、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；扰动特性，主要改善飞行器对大气紊流的响应特性；大扰动的控制特性大扰动的控制特性（2 2）协助航迹控制）协助航迹控制（3

42、 3）全自动航迹控制）全自动航迹控制（4 4）监控和任务规划）监控和任务规划1.3.3 飞控系统的基本回路飞控系统的基本回路1 1）舵回路（又称小回路）（伺服回路）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，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（面伺服机构（Control Surface Actuation System）自动控制）自动控制舵面的偏转。如图所示：舵面的偏转。如图所示：1.3.3 飞控系统的基本回路飞控系统的基

43、本回路组成：组成：放大器、舵机、反馈元件放大器、舵机、反馈元件作用：作用：改善舵回路特性改善舵回路特性舵回路负载：舵回路负载：舵面的惯量，和作用在舵面上的气动力矩（铰链舵面的惯量，和作用在舵面上的气动力矩（铰链 力矩）力矩） 输入量是飞机控制指令输入量是飞机控制指令综合控制信号，输出量是舵机带综合控制信号，输出量是舵机带动舵面偏转的角度和角速度。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。制律）决定。1.3.3 飞控系统的基本回路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：

44、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，平尾（或升降舵）、副翼和方向舵，所以驾驶仪的舵回路也有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。（航向）舵回路。 这样也就形成了驾驶仪的三个通道，分别称作这样也就形成了驾驶仪的三个通道，分别称作平尾（升降平尾（升降舵）通道（或俯仰角通道、纵向通道）、舵）通道（或俯仰角通道、纵向通道）、副翼通道（或倾斜通副翼通道（或倾斜通道）、道）、方向舵通道（或航向通道）。方向舵通道（或航向通道）。1.3.3 飞控系统的基本回路飞

45、控系统的基本回路2 2）阻尼增稳回路）阻尼增稳回路 现代飞机随着飞行包线（高度现代飞机随着飞行包线（高度H H与与M M范围）的扩大，飞机自范围）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。了增大阻尼外，还可以增加静稳定性和改善操纵性。阻尼器：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，

46、增加稳定性。阻尼器，增强角运动阻尼，增加稳定性。组成：组成：由传感器、校正网络、放大器、助力器和飞机机体组成由传感器、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飞控系统的基本回路 阻阻尼尼器器与与驾驾驶驶员员的的机机械械操操纵纵系系统统是是相相互互独独立立的的，加加阻阻尼尼器器的的飞飞机机其其实实就就是是一一个个改改善善稳稳定定性性的的飞飞机机，人人们们把把它它归归到到被被控控对对象中。控制关系如图所示：象中。控制关系如图所示：阻尼器、自动驾驶仪与飞行员阻尼器、自动驾驶仪与飞行员1.3.3 飞控系统的基本回路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

47、驾驶员操纵，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。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，就称为以改善飞机的静稳定性，就称为增稳系统。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。稳，以提高飞机的稳

48、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。后续章节将详细介绍。自动飞控阻尼增稳系统自动飞控阻尼增稳系统 1.3.3 飞控系统的基本回路飞控系统的基本回路3）稳定回路（姿态角控制回路）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。，并与飞机组成的新回路。作用：作用：稳定飞机的姿态（或稳定飞机的角速度）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：姿态角控制的基本原理及其与阻尼器控制的关系如

49、图示：1.3.3 飞控系统的基本回路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，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。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飞控系统的基本回路4 4）控制回路（又称控制与导引回路，简称制导回路）控制回路（又称控制

50、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。现的。 1.3.3 飞控系统的基本回路飞控系统的基本回路 飞飞机机航航迹迹控控制制的的问问题题比比较较复复杂杂。一一般般总总是是根根据据飞飞机机航航迹迹运运动动特特点点，把把它它分分为为纵纵向向、侧侧向向两两个个方方面面进进行行研研究究。一一般般是是在在姿姿态态（包包括括航航向向角角）控控制制的的基基础础上上构构成成航航迹迹控控制制回回路路。航航迹迹控控制

51、制器器根根据据实实际际航航迹迹与与期期望望航航迹迹的的偏偏差差，生生成成航航迹迹控控制制指指令令，送送入入姿姿态态控控制制器器，通通过过飞飞行行航航向向和和姿姿态态的的控控制制，实实时时地地修修正正航航迹迹偏偏差，使飞机按期望航迹飞行。差，使飞机按期望航迹飞行。1.3.3 飞控系统的基本回路飞控系统的基本回路 航迹控制回路航迹控制回路可以是静态的可以是静态的事先由飞行员设定的，如自事先由飞行员设定的，如自动导航中的计划航线；也可以是动态的动导航中的计划航线；也可以是动态的飞行中即时更改的，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如战术飞行中飞行员根据空中敌我态势

52、的变化随时制定的飞行路线。路线。 高度稳定高度稳定就是一种简单的航迹控制问题。要稳定飞机的高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。动稳定飞行高度。高度稳定系统高度稳定系统1.3.3 飞控系统的基本回路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

53、低层的任务的总和。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。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飞控系统的基本回路 1.4 1.4 本课程内容安排本课程内容安排第第一一章章飞飞行行力力学学基基础础 介介

54、绍绍坐坐标标系系，作作用用在在飞飞机机上上的的空空气气动动 力及力矩。力及力矩。第二章第二章 飞行器运动方程飞行器运动方程 建立了飞机运动方程（包括全量方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）。程、线性化小扰动方程及飞机的状态方程）。第三章第三章测量与传感器测量与传感器 介绍飞行控制系统中的测量元件。介绍飞行控制系统中的测量元件。 自学自学第四章第四章 舵机舵机与舵回路与舵回路 介绍飞行控制系统的执行机构。介绍飞行控制系统的执行机构。1.4 1.4 本课程内容安排本课程内容安排第五章第五章 典型飞行控制系统的分析典型飞行控制系统的分析 这是设计飞行控制系统这是设

55、计飞行控制系统 的必要基础。也是本课程的重点之一。的必要基础。也是本课程的重点之一。 首先介绍改首先介绍改 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。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。最后介绍了控制与保持空速的工作原理。重点。重点。1.4 1.4 本课程内容安排本课程内容安排第六章第六章 飞行控制系统的设计飞行控制系统的设计 首先学习飞行品质评价及品质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。论。介绍了典型数字式飞行控制系统。第七章第七章 现代飞行控制技术现代飞行控制技术 对现代飞行控制系统中的基础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。电传操纵系统及主动控制系统作简单介绍。重点。重点。