飞行控制系统设计和实现中的问题PDF电子书下载

1 飞行控制的工业考虑 1

1.1 引言 1

1.2 飞行控制的总体目标 2

1.2.1 军用飞机 4

1.2.2 民用飞机 4

1.3 飞控系统的作用 5

1.3.1 历史 5

1.3.2 军机的发展 6

1.3.3 民机的发展 7

1.4 服役飞机的要求 9

1.4.1 军机的使用要求 9

1.4.2 民机的使用要求 10

1.5 电传飞控的收益 13

1.5.1 军机的收益 13

1.5.2 民机的收益 14

1.6 飞控系统的实现 14

1.6.1 军机——设计注意事项和系统概述 14

1.6.2 民机——设计注意事项和系统概述 19

1.7 军机的现状和未来挑战 21

1.7.1 欧洲台风战机 21

1.7.2 军机未来的挑战 24

1.8 民机的技术发展水平和未来挑战 25

1.8.1 空客电传系列 25

1.8.2 波音B777飞机 31

1.8.3 民用飞机未来的挑战 31

1.9 飞控系统开发过程 32

1.9.1 当前状态 32

1.9.2 系统开发过程 32

1.9.3 飞行控制律开发过程 34

1.9.4 成本考虑-经常性成本和非经常性成本 36

1.10 结语 37

1.11 致谢 38

1.12 参考文献 38

2 飞机建模 41

2.1 引言 41

2.2 数学结构 42

2.3 坐标系和符号 43

2.3.1 地球坐标系 43

2.3.2 机体固连坐标系 43

2.3.3 扰动变量 44

2.3.4 对称飞行中的角度关系 46

2.3.5 坐标系选择 46

2.4 欧拉角及飞机姿态 47

2.4.1 线变量变换 47

2.4.2 角速率变换 48

2.5 操纵量符号 48

2.5.1 气动力操纵面 48

2.5.2 发动机控制 49

2.6 解耦的小扰动运动方程 49

2.6.1 纵向对称运动方程 49

2.6.2 横向对称运动方程 50

2.7 运动方程的状态空间形式 50

2.7.1 纵向运动方程 51

2.7.2 横向运动方程 53

2.8 飞机响应的传递函数 53

2.9 传递函数矩阵 54

2.10 对控制的纵向响应 54

2.10.1 纵向传递函数矩阵 54

2.10.2 纵向特征方程 55

2.10.3 短周期俯仰振荡 56

2.10.4 长周期模态 58

2.11 对控制的横向响应 60

2.11.1 横向传递函数矩阵 60

2.11.2 横向特征方程 62

2.11.3 滚转衰减模态 62

2.11.4 螺旋模态 63

2.11.5 荷兰滚模态 64

2.12 结语 65

2.13 参考文献 65

3 作动系统 66

3.1 引言 66

3.2 作动系统技术概述 66

3.2.1 操纵面类型 66

3.2.2 作动器运行 67

3.3 作动系统的性能准则 70

3.3.1 失效载荷 71

3.3.2 最大速率能力 72

3.3.3 频率响应 73

3.3.4 动态刚度 75

3.3.5 故障瞬态 76

3.4 作动系统建模 76

3.5 非线性频率响应 77

3.6 饱和分析 79

3.7 突跳谐振 80

3.8 故障瞬态 81

3.9 结语 83

3.10 致谢 83

4 操纵品质 84

4.1 引言 84

4.2 纵向飞行品质 85

4.2.1 控制输入传递函数 85

4.2.2 模态准则 85

4.2.3 长周期飞行品质 86

4.2.4 短周期飞行品质 87

4.2.5 纵向短周期动态准则 88

4.2.6 短周期的模态准则 89

4.2.7 其他短周期准则 91

4.2.8 等效系统 91

4.2.9 等效时间延迟 92

4.2.10 带宽方法 94

4.2.11 尼尔-史密斯方法 94

4.2.12 吉普森回落准则 96

4.2.13 时间响应准则 96

4.2.14 航迹的稳定性 97

4.3 横航向飞行品质 97

4.3.1 滚转模态 97

4.3.2 螺旋模态 97

4.3.3 滚转螺旋耦合 98

4.3.4 荷兰滚模态 98

4.3.5 参数ωφ／ωd 99

4.3.6 φ／β之比 99

4.4 稳定性和控制增强系统 100

4.4.1 反馈的影响 100

4.4.2 作动器、传感器和处理器的影响 102

4.4.3 多入多出飞行品质的可能性 103

4.4.4 响应类型 103

4.5 对某些控制设计概念的注释 104

4.5.1 前馈通道的综合 104

4.5.2 陷波滤波器 105

4.5.3 驾驶杆前置滤波器 105

4.5.4 模型前置滤波器 106

4.6 驾驶员诱发振荡（PIO） 106

4.6.1 PIO类型 106

4.6.2 PIO和APC 106

4.6.3 第I类PIO准则 107

4.7 模态化PIO准则 107

4.7.1 STI高增益渐近参数 107

4.7.2 阿·哈鲁赫-西维特准则 108

4.7.3 每g的动态杆力 109

4.8 非模态化PIO准则 110

4.8.1 现有准则 111

4.8.2 准则的有效性 114

4.9 速率限制对PIO的影响 117

4.9.1 第Ⅱ类PIO准则 117

4.9.2 速率限制的后果 117

4.10 结语 119

4.11 参考文献 119

5 自动飞行控制系统的设计考虑 122

5.1 自动飞行控制系统开发项目 122

5.1.1 研究阶段／开发商选择 123

5.1.2 接口定义 123

5.1.3 系统定义 123

5.1.4 软件设计和编码 123

5.1.5 硬件设计和开发 123

5.1.6 系统集成和测试 123

5.1.7 合格鉴定试验 124

5.1.8 设计和性能的初步／最终报告（PDDP/FDDP） 124

5.1.9 试飞 124

5.1.10 合格审定 124

5.1.11 设计评审 124

5.2 需求定义和验证 125

5.2.1 引言 125

5.2.2 设计和测试方法 125

5.2.3 安全性考虑 126

5.3 系统设计要考虑的因素 127

5.3.1 主要设计考虑 127

5.4 自动飞行控制系统架构 131

5.4.1 引言 131

5.4.2 AFCS的飞行控制接口 131

5.4.3 AFCS的系统接口 132

5.4.4 AFCS的构型 133

5.4.5 飞控计算机的数据处理 134

6 数字飞行控制系统的地面与飞行试验 139

6.1 引言 139

6.2 飞行试验理念 141

6.2.1 地面试验 142

6.2.2 模拟器与台架试验 142

6.3 飞机地面试验 148

6.3.1 飞控系统装机试验 148

6.3.2 地面共振试验 148

6.3.3 结构耦合试验 149

6.3.4 电磁兼容试验 149

6.3.5 发动机运转试验 150

6.4 飞行试验工具与技术 151

6.5 飞行试验 152

6.5.1 电传美洲虎验证机飞行试验计划 152

6.5.2 EAP验证机飞行试验计划 154

6.6 结语 157

6.7 致谢 157

6.8 参考文献 157

7 气动伺服弹性 159

7.1 引言 159

7.2 结构耦合要素 160

7.2.1 弹性飞机模型动力学 160

7.2.2 弹性飞机操纵面的惯性激励 161

7.2.3 作动器，飞行控制计算机及飞机运动传感器 161

7.2.4 弹性飞机操纵面的气动激励 161

7.2.5 弹性飞机模态的空气动力学 162

7.2.6 解决方案和设计权衡 162

7.3 FCS-SC结构耦合：设计举例 164

7.3.1 美洲虎——1968年首飞 165

7.3.2 狂风——1974年首飞 165

7.3.3 EAP验证机——1986年首飞 166

7.3.4 欧洲战斗机2000（EF2000）——1994年首飞 173

7.4 未来发展方向 180

7.4.1 极限环预测及替代放飞许可要求规范 181

7.4.2 刚体的主动控制及结构模态稳定 198

7.4.3 弹性飞机模型 209

7.5 结语 209

7.6 参考文献 209

8 特征结构配置方法在民用飞机自动驾驶仪设计中的应用 212

8.1 引言 212

8.2 RCAM控制问题 213

8.2.1 进近着陆仿真 214

8.2.2 性能指标 214

8.2.3 鲁棒性指标 216

8.2.4 乘坐品质指标 216

8.2.5 安全性指标 216

8.2.6 操纵动作指标 216

8.3 特征结构分析与配置 216

8.3.1 特征结构分析 217

8.3.2 特征结构配置 219

8.4 特征结构配置设计过程 223

8.4.1 控制器结构 223

8.4.2 构造期望的特征结构 227

8.4.3 初始综合 229

8.4.4 控制器分析方法 230

8.4.5 纵向控制器分析 231

8.4.6 横向控制器分析 233

8.4.7 控制器优化 235

8.5 受控飞机非线性仿真 236

8.5.1 性能指标 236

8.5.2 鲁棒性指标 238

8.5.3 乘坐品质指标 239

8.5.4 安全性指标 240

8.5.5 操纵动作指标 240

8.5.6 进近着陆仿真的评估 240

8.6 结语 244

8.7 参考文献 246

9 鹞式飞机的H∞回路成形设计 248

9.1 引言 248

9.2 鹞式飞机的先进飞行控制 249

9.3 H∞回路成形 250

9.4 VAAC的线性设计 251

9.5 实现与飞行试验 256

9.5.1 增益调参 256

9.5.2 抗饱和（anti-windup） 257

9.5.3 飞行模态 259

9.5.4 飞行试验 259

9.6 飞行许可 260

9.7 结语 264

9.8 参考文献 264

索引 266