民机飞行控制系统设计的理论与方法PDF电子书下载

1 大型民机的建模与特性 1

1.1 飞行力学基本概念 1

1.1.1 空气动力学基本知识 1

1.1.2 飞机的空间运动与操纵机构 6

1.1.3 纵向气动力与气动力矩 14

1.1.4 横航向气动力与气动力矩 28

1.1.5 操纵面的铰链力矩 34

1.2 刚体飞机方程 35

1.2.1 飞机动力学方程 35

1.2.2 飞机运动学方程 44

1.3 飞行的平衡状态与飞机非线性模型的线性化 45

1.3.1 小扰动原理与线性化方法 45

1.3.2 飞行中平衡状态的定义与平衡飞行条件 46

1.3.3 基于小扰动原理的线性方程导出 48

1.3.4 飞机线性方程的纵向与横航向分类 51

1.3.5 飞机六自由度线性方程 51

1.3.6 飞机的平衡状态及线性化的数值求解方法 53

1.4 飞机纵向运动特征分析 56

1.4.1 飞机纵向方程的解与模态特征 56

1.4.2 飞机纵向运动的模态描述 57

1.4.3 短周期模态的传递函数与特性分析 58

1.4.4 长周期模态的传递函数与特性描述 64

1.4.5 定速静稳定性与定载静稳定性 66

1.4.6 空速与高度变化对纵向模态特征参数的影响 68

1.4.7 油门杆偏转的动力学响应 70

1.5 飞机横航向特征分析 73

1.5.1 飞机横航向方程的解与响应特性 73

1.5.2 横航向扰动运动的典型模态 74

1.5.3 三种模态的简化处理法 76

1.5.4 横航向运动的传递函数 77

1.5.5 横航向运动的近似传递函数 82

1.5.6 空速、高度变化对横航动力学的影响 82

1.5.7 气动导数变化对横侧动力学特性的影响 83

1.6 飞机本体特性与飞行稳定性与飞行品质的关系 84

1.7 结语 85

参考文献 85

2 大型民机的飞行性能与飞行品质 86

2.1 飞行性能 86

2.1.1 发动机推力特性 89

2.1.2 飞行包线与航程 92

2.1.3 协调转弯特性 94

2.2 飞行品质 97

2.2.1 民机CCAR-25部适航要求 98

2.2.2 国内外对民机的飞行品质评估概念和方法 103

2.2.3 部分可借用的军机飞行品质评估标准 108

2.2.4 关于大型民机的飞行品质算例分析 111

2.3 结语 119

参考文献 120

3 民机飞控系统的传感器与执行机构系统 122

3.1 概述 122

3.1.1 民机飞控系统中的传感器 122

3.1.2 民机飞控系统中的执行机构 125

3.2 飞控系统中的测量变量 128

3.2.1 飞行中需要的测量变量 128

3.2.2 飞行状态的可测试性及其误差的影响 128

3.2.3 传感器信号的处理 130

3.3 民机中常用的传感器 131

3.3.1 空气动力学相关的变量与传感器 131

3.3.2 惯性变量与传感器 136

3.3.3 其他变量、GPS功能 143

3.3.4 导航系统 144

3.4 传感器的容错与重构 146

3.4.1 传感器信号对飞控系统的影响 146

3.4.2 传感器的故障模式与容错要求 146

3.4.3 传感器系统的余度结构与监控表决 147

3.4.4 监控表决系统的局限性与信号重构 149

3.5 大型民机的操纵与执行机构系统 150

3.5.1 大型民机的操纵面 150

3.5.2 大型民机的执行机构 153

3.5.3 飞控计算机与执行机构的连接 162

3.5.4 几种典型大型民机的执行机构 164

3.6 对执行机构系统的要求 169

3.6.1 飞控系统对执行机构系统的要求 169

3.6.2 适航对执行机构的要求 171

3.7 执行机构系统的余度设计与余度管理 172

3.8 操纵面的容错及控制重构 174

3.8.1 操纵面故障模式及其影响分析 174

3.8.2 操纵面故障下的控制重构概念与系统设计 175

3.9 结语 176

参考文献 176

4 民机电传操纵与主飞控系统控制律设计 178

4.1 民机电传飞控系统的发展与现状 178

4.1.1 飞机飞控系统的基本结构 178

4.1.2 电传飞控系统的发展及收益 179

4.1.3 民机电传飞控系统的结构与功能 182

4.2 民机主飞控系统控制律结构功能分析 183

4.2.1 主飞控系统控制律基本结构 183

4.2.2 A320电传飞控系统增稳控制律实例分析 188

4.3 民机主动控制技术及应用 190

4.3.1 民机采用的主动控制技术 190

4.3.2 A320边界保护功能 191

4.3.3 A320的机翼载荷减缓控制 192

4.4 主飞控系统的控制律设计 193

4.4.1 主飞控系统增稳与控制增稳控制律设计 193

4.4.2 边界保护系统设计 225

4.4.3 阵风减缓与乘坐品质控制律设计 232

4.5 飞控系统的多模态控制律的实时切换 250

4.5.1 控制模态的逻辑管理 250

4.5.2 控制模态转换瞬态影响的抑制方法 251

4.5.3 动态环节初始化 252

4.6 民机高升力控制分系统简介 252

4.6.1 民机高升力控制分系统 252

4.6.2 B777飞机高升力控制分系统 254

4.6.3 A380飞机高升力控制分系统描述 258

4.7 结语 262

参考文献 262

5 民机自动飞行控制系统 264

5.1 民机自动飞行控制系统的功能与要求 264

5.1.1 民机自动飞行控制系统的结构与功能 264

5.1.2 民机自动飞行控制系统设计要求 268

5.2 民机的姿态控制 271

5.2.1 姿态控制 271

5.2.2 协调转弯控制 274

5.3 空速与马赫数控制 277

5.3.1 控制空速与马赫数控制的作用 277

5.3.2 空速与马赫数控制策略与系统构成 278

5.4 高度与侧向偏离控制 280

5.4.1 高度控制 280

5.4.2 侧向偏离控制 282

5.5 航迹控制 284

5.5.1 自动爬升控制 284

5.5.2 自动导航控制 287

5.5.3 自动着陆控制 293

5.6 自动油门系统 298

5.6.1 系统的组成和工作原理 298

5.6.2 自动油门系统设计 300

5.6.3 典型民机的自动油门系统 302

5.6.4 综合飞行推进控制 304

5.7 自动配平系统 305

5.7.1 俯仰自动杆力配平 306

5.7.2 马赫数配平系统 307

5.8 自动飞行功能的实现 308

5.8.1 空客A380自动飞行系统 308

5.8.2 波音B777自动飞行系统 311

5.9 民机自动飞行控制系统的发展趋势 313

5.10 结语 315

参考文献 315

6 飞行控制系统设计的现代控制理论与方法 316

6.1 LQR设计方法 317

6.1.1 性能指标 317

6.1.2 基本设计方法 319

6.1.3 模型跟踪方法 319

6.1.4 线性二次Gauss／回路传输恢复 322

6.2 鲁棒控制设计方法 325

6.2.1 系统的鲁棒性 325

6.2.2 线性矩阵不等式 325

6.2.3 H∞控制器设计 327

6.2.4 μ综合方法 329

6.3 特征结构配置方法 333

6.3.1 特征结构分析 333

6.3.2 行为的实时模态 334

6.3.3 特征结构配置 335

6.3.4 解耦需求 337

6.3.5 鲁棒性需求 338

6.3.6 耦合约束下的鲁棒性 339

6.3.7 特征结构配置特点和设计过程 339

6.4 非线性动态逆设计方法 340

6.4.1 动态逆设计基本原理 340

6.4.2 快逆控制器设计 341

6.4.3 慢逆控制器设计 345

6.4.4 非线性动态逆方法特点 346

6.5 模糊增益调参鲁棒控制 347

6.5.1 飞控系统T-S模糊建模 347

6.5.2 控制器设计过程和原理 350

6.6 鲁棒控制设计实例 352

6.6.1 系统结构和性能指标要求 353

6.6.2 俯仰角保持 354

6.6.3 高度保持 357

6.6.4 自动着陆 359

6.6.5 横侧向飞行控制系统设计 364

6.6.6 阵风减缓主动控制器设计 369

6.7 特征结构配置设计实例 373

6.7.1 RCAM控制问题 373

6.7.2 进近着陆仿真 374

6.7.3 设计性能规范 375

6.7.4 控制器结构 377

6.7.5 期望特征结构 380

6.7.6 控制器综合 383

6.7.7 控制器分析 384

6.7.8 控制器优化 387

6.7.9 非线性仿真 389

6.8 结语 393

参考文献 395

7 民机电传操纵系统的可靠性与安全性设计 397

7.1 民机飞控系统的可靠性与安全性要求 397

7.1.1 民机可靠性与安全性基本概念 397

7.1.2 民机飞控系统安全性可靠性要求 399

7.2 民机电传飞控系统的余度设计 402

7.2.1 余度技术及余度管理 402

7.2.2 余度飞行控制系统设计体系与设计原则 406

7.3 现代民机的余度飞行控制系统 412

7.3.1 波音系列的余度飞行控制系统 413

7.3.2 空客系列的余度飞行控制系统 421

7.4 民机飞控系统的可靠性分析与设计 432

7.4.1 余度飞控系统可靠性建模 432

7.4.2 民机飞控系统的可靠性分配 435

7.4.3 余度飞控系统可靠性预估方法 438

7.4.4 系统可靠性分析方法 452

7.4.5 民机电传飞控系统可靠性建模与分析 454

7.5 民机飞控系统的安全性分析与设计 459

7.5.1 电传飞控系统的安全性评估 459

7.5.2 民用机载系统与设备安全性评估流程 459

7.5.3 安全性评估中常用的验证方法 462

7.5.4 电传飞控系统安全性设计 464

7.6 结语 464

参考文献 465

8 大型民机的飞行管理系统 467

8.1 大型民机的飞行管理系统概述 467

8.1.1 飞行管理系统的体系结构与功能构成 467

8.1.2 波音飞机飞行管理系统 472

8.1.3 空客飞机飞行管理系统 475

8.2 飞行管理系统中的飞行计划 483

8.2.1 飞行计划模块的组成与系统结构 483

8.2.2 导航数据库 484

8.2.3 水平飞行计划 484

8.2.4 垂直飞行计划 490

8.3 飞行管理系统中的综合导航 494

8.3.1 综合导航模块的组成和结构 494

8.3.2 导航模式管理 495

8.3.3 导航计算 496

8.3.4 无线电自动调谐 498

8.3.5 导航性能计算 500

8.4 飞行管理系统中的轨迹预测与制导 501

8.4.1 性能计算 501

8.4.2 水平轨迹预测 503

8.4.3 垂直轨迹预测 506

8.4.4 轨迹制导 506

8.5 结语 518

参考文献 518

9 结构弹性模态与飞行控制系统的耦合 519

9.1 结构的弹性振动 521

9.1.1 结构弹性振动的基本理论 521

9.1.2 典型民机结构弹性振动模态 524

9.2 气动伺服弹性力学基础 525

9.2.1 气动伺服弹性概念 526

9.2.2 气动伺服弹性基本方程 527

9.2.3 气动伺服弹性稳定性分析方法 532

9.2.4 民机气动伺服弹性稳定性分析算例 534

9.3 增稳控制律中的结构滤波器设计 537

9.3.1 增稳控制律中的结构滤波器设计方法 537

9.3.2 民机结构滤波器设计示例 539

9.4 弹性飞机的阵风响应分析与减缓 540

9.4.1 阵风模型与描述 540

9.4.2 连续阵风响应分析的数学建模 542

9.4.3 国外大型飞机的阵风减缓活动 543

9.4.4 阵风响应主动减缓的试验研究与验证 547

9.5 结构模态耦合试验与气动伺服弹性飞行试验 549

9.5.1 飞机结构模态耦合试验方法简介 549

9.5.2 气动伺服弹性飞行试验方法简介 553

9.6 结语 555

参考文献 555

10 民机飞控系统的评估与确认简介及飞行控制律评估与确认 556

10.1 飞行控制系统开发过程 556

10.1.1 系统开发过程 556

10.1.2 飞行控制系统开发计划 558

10.2 飞控系统评估与确认 560

10.2.1 系统级评估和确认 561

10.2.2 软件及控制律的评估和确认 563

10.3 飞行控制律的评估与确认 565

10.3.1 飞行控制律开发过程 565

10.3.2 飞行控制系统中不确定性分析 566

10.3.3 评估准则 568

10.4 控制律确认方法 573

10.4.1 基于结构奇异值分析（μ分析）的评估与确认 573

10.4.2 基于优化算法的评估与确认 584

10.4.3 基于蒙特卡洛仿真的评估与确认 591

10.5 飞行控制律评估与确认软件及算例分析 594

10.5.1 飞行控制律评估与确认软件 595

10.5.2 算例分析 596

10.6 结语 601

参考文献 601

11 民机飞控系统的发展及挑战 605

11.1 引言 605

11.1.1 飞行器发展对飞行器控制技术的新需求 605

11.1.2 民用飞机的发展及展望 606

11.1.3 飞行器控制的新特征 607

11.1.4 信息化环境与飞行器控制 609

11.1.5 高可靠可重构容错系统 610

11.1.6 飞控系统评估与确认 611

11.2 飞控系统的主动容错技术 612

11.2.1 操纵面故障检测与控制重构 613

11.2.2 传感器故障检测与信息重构 618

11.2.3 容错控制技术的应用 619

11.2.4 发展趋势与挑战 621

11.3 主动重心控制技术 622

11.3.1 主动重心控制技术的研究进展 622

11.3.2 主动重心控制应用实例 623

11.3.3 主动重心控制系统设计 626

11.4 分布式推进设计技术 629

11.4.1 分布式推进技术的发展概况 629

11.4.2 分布式推进系统的特点及其关键技术 630

11.4.3 分布式推进布局飞机综合控制 632

11.4.4 分布式推进控制仿真算例 633

11.5 结语 638

参考文献 638

索引 640