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1　绪论 1

1.1　驾驶员还是自动驾驶仪？ 1

目录 1

1.1.1 作为“飞行学员”的自动驾驶仪 2

1.1.2 作为飞行管理者的驾驶员 3

1.2　物理基础 5

1.2.1 描述方法 6

1.2.2 升力和阻力 6

1.2.3 力矩平衡 8

1.2.4 飞机的操纵 9

1.2.5 动力装置 10

1.2.6　风和大气紊流 12

1.3.1 对称运动的方程 15

1.3　过程数学模型 15

1.3.2 近似方程 16

1.3.3 方程分析 18

1.3.4 飞行航迹方程 19

1.4　飞行控制器设计的边界条件 20

1.4.1 控制对象的特点 20

1.4.2　控制的任务 22

1.4.3 设计规范 23

1.5　飞行控制系统的构成 24

1.5.1 阻尼器（增稳系统） 24

1.5.2　姿态控制器 26

1.5.3　高度控制器 27

1.5.4 弯曲航迹的自动控制引导 28

1.5.5　输入控制（电传操纵） 29

1.5.6 总的控制系统 29

物理基础篇 33

2　运动变量的定义 33

2.1　符号 33

2.2　飞行力学变量 35

2.2.1 飞机相对地面的姿态的确定 35

2.2.2　航迹速度矢量的确定 36

2.2.3 空气动力学变量的确定 38

2.2.4　描述风影响的角度 40

2.2.5　运动学关系的简化描述 41

2.2.6　速度方程 41

2.2.7 转动角速度方程 42

2.2.8　操纵偏角 43

2.3　矢量微分法 45

2.3.1 矢量对时间的微分法 45

2.3.2　在一个场中的空间微分法 46

2.3.3 穿场运动时的时间导数 47

2.3.4 欧拉角和转动角速度之间的关系 47

2.4　确定飞机位置的变量 48

2.4.1 相对地面固定点的位置 48

2.4.2　相对于规定航迹的位置 50

2.5　飞机几何关系 53

2.6　传感器位置的影响 55

2.6.1　传感器偏差 55

2.6.2 飞机转动的影响 56

2.6.3 飞机上任意点的加速度矢量 57

2.7　正负号定义 58

3　外力和力矩 60

3.1　空气动力的产生 60

3.1.1 升力的产生 62

3.1.2 空气动力阻力 65

3.2　定常飞行的条件 67

3.2.1 纵向运动的弹簧常数（“静稳定性”） 67

3.2.2　尾翼的升力和力矩 69

3.2.3　全机的升力和力矩 71

3.2.4 侧向运动的弹簧常数（“静稳定性”） 73

3.2.5 飞机的操纵 74

3.3　对称飞行时空气动力的作用 76

3.3.1 俯仰角速度的影响 78

3.3.2　迎角变化的影响 79

3.3.3 空速变化的影响 80

3.3.4 升降舵偏转的影响 80

3.4　非对称飞行时空气动力的作用 81

3.4.1 侧滑角的影响 81

3.4.2 侧滑角变化的影响 84

3.4.3 滚转角速度的影响 84

3.4.4　偏航角速度的影响 85

3.4.5 副翼偏转的影响 86

3.4.6 方向舵偏转的影响 87

3.5　空气动力模型的补充和总结 87

3.5.1 纵向运动和侧向运动的空气动力耦合 87

3.5.2 地面效应 87

3.5.3 弹性变形的影响 88

3.5.4　发动机的影响 90

3.5.5 系数和导数的分类 90

3.6　航空喷气发动机 92

3.6.1 推力的产生 92

3.6.2　发动机模型 96

3.6.3　发动机控制 97

3.6.4 作为飞机运动控制装置的发动机 98

4　风和紊流 99

4.1　风模型 100

4.1.1　风的形成 100

4.1.2　风的模型化 103

4.1.3　紊流的形成 105

4.1.4　紊流模型 106

4.2　风的运动和飞机运动的耦合 107

4.2.1 风场对作为质点飞机的作用 108

4.2.2 风梯度对有限大小飞机的作用 112

4.2.3 作用在飞机上的紊流与空间和时间的关系 115

4.2.4　德莱顿频谱 117

4.2.5　紊流的仿真 118

4.2.6　紊流的非定常作用 120

过程数学模型篇 122

5　非线性运动方程 122

5.1　力和力矩方程的综合 123

5.1.1 坐标系的选择 123

5.1.2 列写方程 123

5.2.1 移动速度的微分方程 125

5.2　飞机运动的状态方程 125

5.2.2　加速度和载荷系数 126

5.2.3　位置（航迹）的微分方程 127

5.2.4　进近航迹的简化描述 127

5.2.5 转动角速度的微分方程 129

5.2.6　姿态角的微分方程 130

5.3　方程组的讨论 130

5.4　定常飞行状态 132

5.4.1 配平飞行状态计算的说明 132

5.4.2　对称直线飞行 133

5.4.3　水平协调转弯飞行 134

6.1.1 三自由度航迹运动 137

6.1　简化微分方程 137

6　质点飞机的特性 137

6.1.2　二自由度航迹运动 138

6.2 能量研究和科尔哈默尔图 140

6.3 飞机对操纵指令的响应 143

6.3.1 空气动力工作点的变化 143

6.3.2　低于最小阻力空速时的特性 144

6.3.3 飞机对推力变化的响应 146

6.4　飞机在风场中的响应特性 148

6.4.1 顺风 149

6.4.2　侧风 149

6.4.3　下降风 150

6.4.4　在加速风场中的特性 151

7.1 限制假设 152

7　线化状态方程 152

7.1.1 欧拉项和变换矩阵的简化 153

7.1.2　其它简化 154

7.1.3　简化假设小结 154

7.1.4　速度和位置微分方程 155

7.1.5 转动角速度和姿态角微分方程 155

7.1.6　风的微分方程 155

7.2　方程的分组和变换 156

7.2.1　几种状态变量的变换 157

7.2.2 纵向运动和侧向运动的状态方程 158

7.3　方程组的线性化 159

7.3.1 线化的基本过程 159

7.3.2　纵向运动方程的线化 160

7.3.3 纵向运动的状态方程 162

7.3.4　侧向运动方程的线化 163

7.3.5 侧向运动的状态方程 164

7.3.6 方程的数值变换 165

7.3.7 方程的数值线化 165

7.4　用信号流图描述方程 166

7.4.1 信号流图的绘制 167

8　飞机动力学特性分析 170

8.1　状态方程的解 170

8.1.1 状态方程的时域解 170

8.1.2 数值仿真 172

8.1.3 状态方程的拉普拉斯变换解 174

8.1.4 稳定性 176

8.1.5 线性方程组的解 178

8.2　飞机的固有特性 180

8.2.1 特征方程根的典型分布 181

8.2.2 纵向运动和侧向运动的阶跃响应 181

8.2.3 纵向运动和侧向运动的典型运动模态 183

8.3　飞机的传递特性 185

8.3.1 传递函数的计算 185

8.3.2　边界值研究 187

8.4　近似表达式 188

8.4.1 短周期运动的近似 189

8.4.2 沉浮运动的近似 191

8.4.3　侧向运动的近似 193

8.4.4 侧向运动的其它特性 196

8.4.5　小结 200

8.5　可控性研究 201

8.5.1 纵向运动的操纵特性 202

8.5.2　纵向运动的全通特性 204

8.5.3　侧向运动的操纵特性 206

8.5.4 飞机对扰动信号的响应 206

8.5.5　小结 212

控制器设计的边界条件篇 215

9　测量方法和传感器 215

9.1 状态变量和输出变量的可测量性 217

9.1.1 可测量量的组成 217

9.1.2 测量误差 218

9.1.3　测量动力学 219

9.1.4　可靠性观点 220

9.2.1 气压高度 221

9.2　空气动力学量 221

9.2.2　垂直速度（上升速度表） 222

9.2.3　空速和马赫数 223

9.2.4　迎角和侧滑角 224

9.2.5　大气数据计算机（ADC） 224

9.3　惯性量 225

9.3.1　加速度 226

9.3.2　陀螺的工作原理 227

9.3.3　角速度陀螺 228

9.3.4　垂直陀螺（陀螺地平仪） 229

9.4　方位（角）测量 230

9.4.1 磁罗盘、磁阀 230

9.4.2 航向陀螺、磁场支持的航向陀螺装置 231

9.5　位置的确定 232

9.5.1　定位原理 234

9.5.2 无线电测高和雷达测高 236

9.5.3　无线电测距（DME） 236

9.5.4 自动无线电测向（无线电罗盘） 236

9.5.5　UKW旋转式无线电信标（VOR和TACAN） 237

9.5.6　远程定位方法 238

9.5.7　卫星定位 239

9.6　导航系统 240

9.6.1　惯性导航（INS） 240

9.6.2　仪表着陆系统（ILS，MLS） 241

9.6.3　近期的发展 243

9.7　纯化测量值的估计滤波器 243

9.7.1　卡尔曼滤波器 244

9.7.2　互补滤波 245

10　飞机的操纵 247

10.1　操纵元件 247

10.1.1 常规操纵元件概述 248

10.1.2　特殊使命的操纵元件 249

10.2　操纵驱动装置 252

10.2.1 电动执行机构 254

10.2.2　液压执行机构 255

10.2.3　电液阀 256

10.3　操纵系统 257

10.3.1　基本原理 257

10.3.2 阻尼器辅助的手动操纵 259

10.3.3 自动驾驶仪工作时的操纵 260

10.3.4 电传操纵（Fly-by-Wire） 261

10.3.5 可靠性观点 262

11　控制的任务和设计目标 267

11.1　一般的观点 268

11.1.1 评价准则 268

11.1.2　任务谱 269

11.1.3 规范和标准 272

11.2　飞行品质准则 276

11.2.1 纵向运动 276

11.2.2　侧向运动 279

11.2.3　对控制精度的要求 281

11.3　飞行航迹准则 282

11.3.1 被控制变量和控制器结构 282

11.3.3 机场终端区的控制 285

11.3.2　标准—航线 285

11.3.4　终端进近程序 288

11.3.5　新近的发展 291

11.4　品质要求的数学表达 294

11.4.1 飞行力学 295

11.4.2　扰动抑制 296

11.4.3　航迹控制 297

11.4.4 小结 299

控制方法篇 300

12　改变过程动态特性的控制器 300

12.1　状态控制器的结构 301

12.1.1 状态矢量反馈 302

12.1.2　输出反馈 305

12.1.3 动态调节因子 308

12.1.4　全通特性的影响 311

12.1.5　具有观测器的状态反馈 313

12.2　多变量控制结构 314

12.2.1 多变量系统的基本方程 315

12.2.2 多变量系统的传递函数 317

12.2.3　控制器设计的特点 319

12.3　状态控制器的设计 322

12.3.1 黎卡提设计方法 323

12.3.2　极点预置 324

12.3.3 极点范围预置 325

12.3.4　特征结构预置 326

12.3.5　鲁棒控制 328

12.4　控制器适配 333

12.4.1 变结构控制器 334

12.4.2 自适应控制 334

13　用于过程引导的控制器结构 338

13.1 稳态精度的控制结构 338

13.1.1　具有状态矢量反馈的控制回路的稳态特性 338

13.1.2 输入控制矩阵的引入 340

13.1.3　用Ⅰ-控制器扩展状态矢量反馈 342

13.1.4　接通扰动变量 345

13.1.5 串联控制 346

13.2　引导控制器的设计 347

13.2.1　全局黎卡提设计 348

13.2.2　数值优化 349

13.2.3　性能指标 351

13.2.4　顺序控制回路设计 355

13.3　线性模型跟踪控制 360

13.3.1　模型跟踪条件 361

13.3.2 广义状态矢量反馈的模型跟踪 364

13.3.3　参数变化的影响 365

13.3.4　控制矩阵奇异时子过程的模型跟踪 367

13.3.5　实际设计方法 368

飞行控制器结构篇 372

14　飞行品质的改善 372

14.1　有效反馈的选择 373

14.1.1 短周期运动的改进 373

14.1.2　沉浮运动的改进 375

14.1.3　荷兰滚运动的改进 376

14.1.4　滚转运动的改进 378

14.2　纵向运动基本控制器 380

14.2.1　俯仰阻尼器 380

14.2.2 俯仰阻尼器对飞行状态的适配 382

14.2.3　扰动抑制措施 384

14.2.4　俯仰姿态控制 386

14.2.5　俯仰配平 387

14.3　侧向运动基本控制器 388

14.3.1 偏航阻尼器 389

14.3.2 转弯协调 390

14.3.3 扰动抑制措施 391

14.3.4　滚转姿态控制 392

15.1　新型控制任务的特征 395

15　飞行范围边界的扩展 395

15.2　阵风载荷减缓 397

15.2.1 阻尼器功能的扩展 397

15.2.2　模型扩展 398

15.2.3　接通扰动量 400

15.2.4　振动阻尼 401

15.3　通过直接力操纵提高机动性 402

15.3.1 力矩操纵的缺点 403

15.3.2 直接力操纵的操纵策略 404

15.3.3 用直接力操纵进行控制 408

15.4　放宽稳定性 410

15.4.1 飞行动力学关系 410

15.4.2　运输类飞机放宽静稳定性 412

15.5　使用边界的控制 413

15.4.3 战斗机放宽静稳定性 413

16　飞行航迹的稳定 415

16.1　高度和垂直速度的控制 416

16.1.1 高度控制器的结构 416

16.1.2　具有状态反馈的高度控制器的设计 418

16.1.3 高度控制器的工作方式 419

16.1.4　垂直速度的控制 420

16.2　空气动力状态的控制 420

16.2.1 用升降舵作为调节元件的空速控制 420

16.2.2 用推力控制空速（推力控制器） 421

16.2.3 空速控制和高度控制之间的耦合 423

16.2.4　迎角作为被控制变量 424

16.3.1 有风影响时的航向控制 427

16.3　对地飞行航线的控制 427

16.3.2　航向控制器 429

16.3.3　按VOR导航台的进场 430

16.3.4　基准线控制 432

16.4 自动着陆控制系统 435

16.4.1 ILS—着陆程序 435

16.4.2　进近终端的控制 438

17　变化飞行航迹的控制引导 440

17.1 纵向运动的综合航迹控制器 440

17.1.1 航迹控制系统的结构 442

17.1.2　推力的输入控制 445

17.1.3 陡着陆控制器FRG 70 446

17.1.4 组合航迹控制系统VGR 76 448

17.1.5 变化风场中的能量控制器 453

17.2　智能引导控制器 455

17.2.1 引导过程的生成 456

17.2.2　非线性输入控制 459

17.2.3 规定状态的生成 460

17.2.4 总的系统 461

17.2.5　控制器SFB 212 463

17.2.6　无矛盾边界控制 465

17.3　规定轨迹的生成 467

17.3.1 简单航迹机动的模型轨迹 467

17.3.2　水平航迹机动 469

17.3.3　航路点的连接 470

17.3.4　垂直航迹机动 473

17.3.5　4D—航迹控制 474

17.4 飞行管理 476

17.4.1 飞行管理的功能 477

17.4.2　从飞行控制观点看飞行管理的任务 478

17.4.3　发展问题 480

18　手动飞行航迹控制引导 482

18.1 作为驾驶员和控制器之间界面的显示器 485

18.1.1　标准中央显示器 485

18.1.2 航迹倾角和能量角的新型显示器 488

18.1.3 飞行指引仪原理 490

18.2　预置控制 491

18.2.1 基本原理 491

18.2.2 飞行品质预置控制器 494

18.2.3　航迹引导预置控制器 500

18.3.1 任务的提出 507

18.3　空中飞行模拟 507

18.3.2　方法和边界条件 508

18.3.3　项目和结果 510

总系统实际示例篇 515

19　战斗机的控制系统 515

19.1　基本控制器的布局 515

19.1.1 一般的观点 515

19.1.2　基本控制器的特点 516

19.1.3 纵向运动的基本控制器 517

19.1.4 侧向运动的基本控制器 519

19.1.5 当基本配置为静不稳定时纵向运动的要求 520

19.1.6 侧向运动的要求 523

19.2　MRCA-Tornado的自动驾驶仪 524

19.2.1 纵向运动的自动驾驶仪 525

19.2.2 侧向运动的自动驾驶仪 526

19.3　CCV-F104-G的控制器 527

19.3.1 研究项目的目的 527

19.3.2　控制器结构 528

19.4　X31—A的控制系统 532

19.4.1 控制方案 532

19.4.2 非线性规定状态的生成 533

19.4.3　控制器结构 535

20　A320的控制系统 537

20.1　操纵系统方案及计算机结构体系 538

20.1.1　综述 538

20.1.2　操纵系统概述 540

20.1.3　安全性功能 541

20.1.4 自动变换工作方式 542

20.2　电传操纵控制规律 543

20.2.1　俯仰轴 543

20.2.2　滚转轴 544

20.2.3　偏航轴 545

20.2.4　纵向运动使用边界的控制 546

20.2.5 侧向运动使用边界的控制 548

20.3 自动驾驶仪功能 548

20.3.1 纵向运动中自动驾驶仪的功能 548

20.3.2　推力控制 551

20.3.3　侧向运动自动驾驶仪的功能 553

20.3.4　起飞和着陆时自动驾驶仪的功能 555

A.1.1 线性状态方程 559

附录 559

A.1 飞机运动的数学模型 559

A.1.2 飞机6自由度非线性方程组 563

A.1.3 变换矩阵 565

A.1.4 发动机线性模型 566

A.2 飞行力学数据 568

A.2.1 飞行状态、导数和等效参量 568

A.2.2 状态矩阵、阶跃响应、伯德图 574

A.3　量和常数 605

A.4　缩写用语表 607

A.5　符号说明 609

参考文献 611