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