自動駕駛儀及控制規(guī)律學(xué)習(xí)教案

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1、會計學(xué)1自動自動(zdng)駕駛儀及控制規(guī)律駕駛儀及控制規(guī)律第一頁，共48頁。一、基本一、基本(jbn)(jbn)組成組成 六大六大(li d)組成：組成：給定元件、測量元件、綜合裝置、放給定元件、測量元件、綜合裝置、放大元件、執(zhí)行元件、反饋元件。大元件、執(zhí)行元件、反饋元件。一套完整的直升機自動駕駛儀一般由俯仰通道，傾斜通道，航向通道和總距通道四個通道組成。每個通道的舵回路是自動駕駛儀的核心。自動駕駛儀的控制規(guī)律以舵回路的控制規(guī)律為基礎(chǔ)。 第1頁/共48頁第二頁，共48頁。例 駕駛員操縱作等速水平(shupng)飛行 第2頁/共48頁第三頁，共48頁。一、比例式控制一、比例式控制(kngzh)

2、(kngzh)規(guī)律規(guī)律 舵機輸出量（自動傾斜器的偏轉(zhuǎn)角）在自動駕駛儀控制下與各輸入信號之和（綜合信號）成正比，此類控制規(guī)律稱比例式控制規(guī)律。 具有比例式控制規(guī)律的自動駕駛儀成為比例式駕駛儀。 第3頁/共48頁第四頁，共48頁。為舵回路(hul)反饋元件-位置反饋 操縱桿系假定(jidng)為1時，通道傳遞函數(shù)為：)(SKf K1 ) 1(2STSK 自動傾斜器操縱桿 )(SKf UZU0 d e 反饋元件 e1K2KTUZU0放大器增益 舵機增益 舵機時間常數(shù) 縱向周期變距增量 舵回路綜合輸入信號 直升機g1KgUUUUfU2K13TSSKSB1fK1K放大器忽略慣性，舵機簡化為慣性積分環(huán)節(jié)

3、) 1(2STSK第4頁/共48頁第五頁，共48頁。111) 1(/1) 1(/)(21221212212121)(0SKKKSKKKTKKKKSSTKKSTSKKKSTSKKUsUfffffSeUZeUZfeUK01?121fKKKTKKKf21自動傾斜器偏轉(zhuǎn)角與綜合信號(xnho)成正比關(guān)系，比例系數(shù)是位置反饋系數(shù)的倒數(shù)。 第5頁/共48頁第六頁，共48頁。 K1 ) 1(2STSK 自動傾斜器操縱桿 )(SKf UZU0 d e 反饋元件 L1 L1 L2 G （S） gU g U U 測量元件 20)(0LLUgnZLLKLKLgfgfe)()(21)(gL輔助信號： L第6頁/共48

4、頁第七頁，共48頁。 給定裝置 測量元件 測量元件 放大器 舵機 操縱桿系 位置反饋 直升機 gu 2u nu 測量元件 1u ).(121gnfuuuuK第7頁/共48頁第八頁，共48頁。BA34LLeLLaKKrHKHc第8頁/共48頁第九頁，共48頁。舵機輸出量（自動傾斜器的偏轉(zhuǎn)角速度）在自動傾斜器作用下與各輸入信號對時間的積分之和（綜合信號）成正比，此類控制(kngzh)規(guī)律稱為積分式控制(kngzh)規(guī)律。具有積分式控制(kngzh)規(guī)律的自動駕駛儀稱為積分式駕駛儀。 反饋信號不是與自動(zdng)傾斜器的偏轉(zhuǎn)成正比，而是與其偏轉(zhuǎn)角速度成正比。測速電機輸出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速即自動(zdng)

5、傾斜器的偏轉(zhuǎn)速度成正比。 反饋信號與俯仰角偏差信號的差值，取決于自動(zdng)傾斜器的偏轉(zhuǎn)角速度。 第9頁/共48頁第十頁，共48頁。 L1 K1 ) 1(2STSK 操縱桿系 SKf G(S) L1 Uzon e 積分式控制律舵回路反饋(fnku)元件為測速反饋(fnku) 第10頁/共48頁第十一頁，共48頁。11)1 (1111)()(21212121212121ffffeZONeKKKSTKKKKKKKKSTKKSTKKKSTKKSUSU只要(zhyo)滿足條件：?121fKKKTKKKf21ZONfeUK1ZONfeUSK1fKKK211第11頁/共48頁第十二頁，共48頁。)(1

6、gZONLU)(geLdtLge)(fKLL/1自動傾斜器縱向偏轉(zhuǎn)(pinzhun)角與俯仰角偏差的積分成正比。 僅有角位置信號的積分式駕駛儀難以穩(wěn)定工作。為了改善其穩(wěn)定性 ，在引入角位置主控信號外，一般(ybn)還引入一些輔助信號，如角速度、角加速度信號。 第12頁/共48頁第十三頁，共48頁。 L1 L1 L3/L2 K1 12STK 1/S 操 縱 桿 系 fK G(S) g ggU U U U ZONU ed e 給 定 裝 置 垂 直 陀 螺 速 度 裝 置 微 分 器 直 升 機 放 大 器 測 速 電 機 舵 機 L2 321)()(LLLUUUUUgZONgLLLge)(LLd

7、tLge)(fffKLLKLLKLL/321傳動比 第13頁/共48頁第十四頁，共48頁。 給定裝置 測量元件 放大器 舵機 操縱桿系 速度反饋 直升機 nU gU 1U ZONU ed e 測量元件 ).(121gnfuuuuK第14頁/共48頁第十五頁，共48頁。 K1 ) 1(2STSK 1STKef fK zonU d 1111)(21221SKKKSKKKTSTSTKUdSffeefzonSTKKSTSTKseffeef1111)(只要(zhyo)滿足條件：?121fKKKTKKKf21時間常數(shù)較大時間常數(shù)較大(jio d)(jio d)，幾秒十幾秒。操縱量由控制信號的比例加積分量決

8、定。，幾秒十幾秒。操縱量由控制信號的比例加積分量決定。 第15頁/共48頁第十六頁，共48頁。一、比例式自動一、比例式自動(zdng)(zdng)駕駛儀控制俯仰角駕駛儀控制俯仰角 基本工作過程 pcgeLL)(第16頁/共48頁第十七頁，共48頁。Le產(chǎn)生(chnshng)抑制抬頭力矩UfU第17頁/共48頁第十八頁，共48頁。fUU反向恢復(fù) fUUfUU電電位位(d(diin n wwi)i)計計動動態(tài)態(tài)過過程程忽忽略略不不計計 第18頁/共48頁第十九頁，共48頁。)(geL對于瞬時干擾，駕駛儀穩(wěn)定俯仰角不存在原理靜差，但對常值干擾則存在靜差，修正力矩(l j)與常值干擾力矩(l j)平衡

9、時： yeymmeyjcymLmeeyyjcmLm靜差靜差 jc與與L 成反比，成反比，要求要求靜差小時，靜差小時，L 須選的大。須選的大。 俯仰角控制靜態(tài)情況俯仰角控制靜態(tài)情況第19頁/共48頁第二十頁，共48頁。0XTYTYLyxpwpw俯仰(fyng)平衡條件第20頁/共48頁第二十一頁，共48頁。從穩(wěn)定性看，L不能太大。 為了保證(bozhng)原始精度，使系統(tǒng)選取較大的L值時，仍具有良好的動態(tài)品質(zhì)，引入俯仰角速度反饋。 從靜差看，L須選的大。 第21頁/共48頁第二十二頁，共48頁。LLge)(L俯仰角速度(sd)信號傳動比自動傾斜(qngxi)器的動作比只有角信號時提前了。 不僅不

10、會產(chǎn)生嚴(yán)重振蕩，還縮短了恢復(fù)初態(tài)的時間。同時，為增大主控信號L ，盡量減小俯仰角穩(wěn)態(tài)誤差創(chuàng)造了條件，但不可能徹底消除誤差，成為有差控制系統(tǒng)。 以上結(jié)論也適用于滾轉(zhuǎn)通道，偏航通道。 第22頁/共48頁第二十三頁，共48頁。基本(jbn)工作過程 LLdtLge)(第23頁/共48頁第二十四頁，共48頁。僅有角速度信號(xnho) ： L自動傾斜器偏轉(zhuǎn)(pinzhun)角速度與俯仰角速度成正比。 如當(dāng)直升機受擾動后上如當(dāng)直升機受擾動后上仰，角速度陀螺輸出俯仰，角速度陀螺輸出俯仰角速度，自動傾斜器仰角速度，自動傾斜器以相應(yīng)的角速度向前偏以相應(yīng)的角速度向前偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生恢復(fù)力矩，使直轉(zhuǎn)產(chǎn)生恢復(fù)力矩，使直升機

11、向原狀態(tài)恢復(fù)。當(dāng)升機向原狀態(tài)恢復(fù)。當(dāng)俯仰角速度信號改變符俯仰角速度信號改變符號，自動傾斜器也隨之號，自動傾斜器也隨之改變轉(zhuǎn)動方向。改變轉(zhuǎn)動方向。 在比例式中起阻尼作用，在積分式作為主控信號與比例式中的角位置信號同等作用 L第24頁/共48頁第二十五頁，共48頁。相當(dāng)于比例式控制規(guī)律(gul)中的角速度信號，起阻尼作用，使自動傾斜器的角速度動作相應(yīng)提前。 引入角位置(wi zhi)信號 )(gLL消除常值力矩作用下的靜差。當(dāng)常值干擾力矩作用達到穩(wěn)定時，需要自動傾斜器保持一定的偏轉(zhuǎn)角來平衡，這一偏轉(zhuǎn)角不是直接由角位置偏差來提供，而是通過積分來獲得。 穩(wěn)定過程中控制信號U由角位置信號、角速度信號和角

12、加速度信號三者合成。 LLLUg)(達到穩(wěn)定時 CdtLge)(第25頁/共48頁第二十六頁，共48頁。第26頁/共48頁第二十七頁，共48頁。一、滾轉(zhuǎn)角(zhunjio)自動控制原理 繞直升機縱軸的常值干擾力矩一般不大，故滾轉(zhuǎn)通道往往采用與俯繞直升機縱軸的常值干擾力矩一般不大，故滾轉(zhuǎn)通道往往采用與俯仰通道相似的控制規(guī)律，各信號作用仰通道相似的控制規(guī)律，各信號作用(zuyng)(zuyng)類似。類似。 比例式控制律：積分式控制律：LLga)(LLdtLga)( K2 )1(3STSK 自 動 傾 斜 器操 縱 桿 )(SKf UZU0 d a 反 饋 元 件 L L L G(S) gU g

13、U U 測 量 元 件 積分式自動駕駛儀結(jié)構(gòu)圖比例式自動駕駛儀結(jié)構(gòu)圖第27頁/共48頁第二十八頁，共48頁。 傾斜 同步 發(fā)送 器 補償傳感器 傾斜同步接受器 位置反饋 放 大 器 舵機 限幅器 自動傾斜器 直升機 角速度陀螺儀 駕駛員 駕駛桿 g a 第28頁/共48頁第二十九頁，共48頁。自動穩(wěn)定與控制航向原理與俯仰、滾轉(zhuǎn)類似，由航向通道控制尾槳實現(xiàn)(shxin)?？梢杂帽壤交蚍e分式自動駕駛儀控制規(guī)律。 KKgr)(KKdtKgr)(比例式： 積分式： KKK,為偏航角、偏航角速度和偏航角加速度到尾槳的傳動比。 第29頁/共48頁第三十頁，共48頁。 給定元件 放大器 舵機 直 升 機

14、反饋 速度陀螺 航向陀螺 g gU U U U r 通過測量偏航角，使舵機控制尾槳槳距來消除航向偏差。由于沒有信號交聯(lián)到駕駛桿操縱系統(tǒng)，不可能(knng)消除側(cè)滑。要消除航向控制過程中的側(cè)滑，通常駕駛員適當(dāng)操縱駕駛桿來協(xié)助。 第30頁/共48頁第三十一頁，共48頁。 航 向 系 統(tǒng) 位置反饋 放 大 器 舵機 限幅器 自動傾斜器 直升機 角速度陀螺儀 g r 第31頁/共48頁第三十二頁，共48頁。直升機前飛中，由于其質(zhì)量大，速度快，使得改變速度向量的方向比改變縱軸的方向困難的多，二者在轉(zhuǎn)動過程中往往縱軸轉(zhuǎn)動快，速度向量轉(zhuǎn)動慢，從而(cng r)產(chǎn)生側(cè)滑。 第32頁/共48頁第三十三頁，共48

15、頁。穩(wěn)定控制(kngzh)航向時須防止側(cè)滑發(fā)生。 第33頁/共48頁第三十四頁，共48頁。 蹬左舵（偏航力矩先改變(gibin)）-直升機做帶右側(cè)滑的左轉(zhuǎn)彎。 蹬左舵尾槳槳距改變航向操縱力矩Tjlj（增量）機頭左偏轉(zhuǎn)，縱軸偏離航跡，出現(xiàn)右側(cè)滑。（速度矢量在縱軸右邊）機頭向左偏轉(zhuǎn)過程中，會出現(xiàn)阻轉(zhuǎn)力矩。氣流自右向左吹過尾槳，產(chǎn)生航向靜安定力矩。二者使機頭向左偏轉(zhuǎn)的角速度減小并力圖制止側(cè)滑角的增大。當(dāng)空速轉(zhuǎn)動角速度增大到與機頭偏轉(zhuǎn)角速度y相等時，側(cè)滑角不再增大。這種側(cè)滑常成為外側(cè)滑。 第34頁/共48頁第三十五頁，共48頁。第35頁/共48頁第三十六頁，共48頁。一面(y min)左壓桿，一面(y

16、 min)蹬左舵 （壓左桿）側(cè)向力使空速向量向左偏轉(zhuǎn)。（蹬左舵）產(chǎn)生航向操縱力矩，使機頭隨之一起向左偏轉(zhuǎn)，消除可能產(chǎn)生的內(nèi)側(cè)滑。只壓桿會產(chǎn)生內(nèi)側(cè)滑，只蹬舵產(chǎn)生外側(cè)滑。 第36頁/共48頁第三十七頁，共48頁。定義（規(guī)定）：在穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎過程中，保持滾轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)彎角速度、空速和高度不變的轉(zhuǎn)彎稱為(chn wi)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎。 第37頁/共48頁第三十八頁，共48頁。0HGmgTcos0mVTsin高度(god)不變 無側(cè)滑角 第38頁/共48頁第三十九頁，共48頁。sinmVTtgVgmVmgsincostgVg第39頁/共48頁第四十頁，共48頁。) 1cos, 0( ,coscoscosysinsin

17、cosZsin3 .57sincosVgVgtgVgysin3 .57sintgVgtgVgz（弧度(hd)/秒） （弧度/秒） （度/秒） （度/秒） 第40頁/共48頁第四十一頁，共48頁。tgVgsinVgysintgVgz第41頁/共48頁第四十二頁，共48頁。第42頁/共48頁第四十三頁，共48頁。第43頁/共48頁第四十四頁，共48頁。 航向舵回路 尾槳變距 傳動機構(gòu) 直 升 機 側(cè)向加速度 航向角速度陀螺 微分電路 周期變距 傳動機構(gòu) 滾轉(zhuǎn)舵回路 傾斜角速度陀螺 微分電路 垂直陀螺 g r a g LLLga)(KKKgr)(第44頁/共48頁第四十五頁，共48頁。LLga)(K

18、KKr 航向舵回路 尾槳變距 傳動機構(gòu) 直 升 機 側(cè)向加速度 航向角速度陀螺 周期變距 傳動機構(gòu) 滾轉(zhuǎn)舵回路 傾斜角速度陀螺 L 垂直陀螺 r a g K 第45頁/共48頁第四十六頁，共48頁。 總距 舵回路 放大器 c U 垂直陀螺 U 直升機機體滾轉(zhuǎn)后，旋翼拉力不在鉛垂平面，有效升力（拉力的垂直(chuzh)分力）小于重力，使直升機掉高。 其原理是：滾轉(zhuǎn)后由垂直陀螺測量滾轉(zhuǎn)角，輸出與滾轉(zhuǎn)角絕對值成正比的電信號，經(jīng)信號處理、放大后送給總距舵回路，通過總距舵機增大總距，進而使拉力增大，其垂直分量（有效升力）增加，保持飛行高度(god)。具有這種高度(god)補償?shù)目偩嗫刂埔?guī)律為： KHKHKHHc第46頁/共48頁第四十七頁，共48頁。 總距 舵回路 放大器 c U 垂直陀螺 U coscos1 轉(zhuǎn)彎時，垂直陀螺測量(cling)滾轉(zhuǎn)角信號，同樣增大總距操縱量，補償高度損失。相應(yīng)的控制規(guī)律為： coscos1KHKHKHHc第47頁/共48頁第四十八頁，共48頁。