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会计学1自动驾驶仪及控制规律自动驾驶仪及控制规律一、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、反馈元反馈元件。件。一套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。 第1页/共48页例 驾驶员操纵作等速水平飞行 第2页/共48页一、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。 第3页/共48页为舵回路反馈元件-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 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第4页/共48页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。 第5页/共48页 K1 ) 1(2STSK 自动倾斜器操纵杆 )(SKf UZU0 d e 反馈元件 L1 L1 L2 G （S） gU g U U 测量元件 20)(0LLUgnZLLKLKLgfgfe)()(21)(gL辅助信号： L第6页/共48页 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第7页/共48页BA34LLeLLaKKrHKHc第8页/共48页舵机输出量（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。 第9页/共48页 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 第10页/共48页11)1 (1111)()(21212121212121ffffeZONeKKKSTKKKKKKKKSTKKSTKKKSTKKSUSU只要满足条件：?121fKKKTKKKf21ZONfeUK1ZONfeUSK1fKKK211第11页/共48页)(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。 第12页/共48页 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 速 电 机 舵 机 L2 321)()(LLLUUUUUgZONgLLLge)(LLdtLge)(fffKLLKLLKLL/321传动比 第13页/共48页 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第14页/共48页 K1 ) 1(2STSK 1STKef fK zonU d 1111)(21221SKKKSKKKTSTSTKUdSffeefzonSTKKSTSTKseffeef1111)(只要满足条件：?121fKKKTKKKf21时间常数较大，几秒十几秒。操纵量由控制信号的比例加积分量决定。时间常数较大，几秒十几秒。操纵量由控制信号的比例加积分量决定。 第15页/共48页一、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)(第16页/共48页Le产生抑制抬头力矩UfU第17页/共48页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 第18页/共48页)(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： yeymmeyjcymLmeeyyjcmLm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第19页/共48页0XTYTYLyxpwpw俯仰平衡条件第20页/共48页从稳定性看，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。 第21页/共48页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。 第22页/共48页基本工作过程 LLdtLge)(第23页/共48页仅有角速度信号 ： 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第24页/共48页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)(第25页/共48页第26页/共48页一、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，各信号作用类似。 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第27页/共48页 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 第28页/共48页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。 第29页/共48页 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。 第30页/共48页 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 第31页/共48页直升机前飞中，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。 第32页/共48页稳定控制航向时须防止侧滑发生。 第33页/共48页 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相等时，侧滑角不再增大。这种侧滑常成为外侧滑。 第34页/共48页第35页/共48页一面左压杆，一面蹬左舵 （压左杆）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36页/共48页定义（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。 第37页/共48页0HGmgTcos0mVTsin高度不变 无侧滑角 第38页/共48页sinmVTtgVgmVmgsincostgVg第39页/共48页) 1cos, 0( ,coscoscosysinsincosZsin3 .57sincosVgVgtgVgysin3 .57sintgVgtgVgz（弧度/秒） （弧度/秒） （度/秒） （度/秒） 第40页/共48页tgVgsinVgysintgVgz第41页/共48页第42页/共48页第43页/共48页 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 a g LLLga)(KKKgr)(第44页/共48页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 第45页/共48页 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： KHKHKHHc第46页/共48页 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第47页/共48页
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