67第一章概述

直升机飞行控制徐锦法直升机旋翼动力学重点实验室课程主要内容1.概述2.受控对象基本特征分析3.控制基础简介4.自动驾驶仪基本原理5.执行机构－舵机与舵回路6.直升机阻尼、增稳控制系统7.直升机轨迹控制8.直升机姿态仪表与惯性导航系统9.直升机现代飞行控制技术第一章概述第一节直升机运动与控制直升机运动：姿态运动、轨迹运动。驾驶员操控：操控气动力作用面实现姿态与轨迹运动。飞行控制系统：部分或者全部代替驾驶员控制，完成姿态与轨迹运动控制，改善飞行品质，即在无人直接参与条件下自动地控制直升机飞行。直升机受扰后的运动与控制受扰直升机运动控制方块图飞行员自动倾斜器大脑胳膊手眼睛地平仪驾驶杆直升机驾驶员实现对受扰直升机的稳定与控制飞行控制系统实现对受扰直升机的稳定与控制受扰直升机运动控制方块图自动驾驶仪自动倾斜器计算放大装置执行机构测量元件驾驶杆直升机核心：敏感测量元件、放大计算测量装置、执行机构构成自动驾驶仪。飞行控制系统基本要求具备自动驾驶仪功能。如姿态保持，航向保持，高度保持等。改善操纵性、稳定性，提高飞行品质。具有航迹控制、自动导航、自动着陆、垂直升降、自动悬停、自动过渡飞行等功能。基本原理自动驾驶仪一种能保持或改变直升机飞行状态的自动控制设备。能模仿驾驶员所实施的操纵，自动控制直升机运动。飞行控制系统增稳系统：由传感器、校正网路、放大器、舵机组成的反馈系统。典型增稳系统有阻尼器。控制增稳系统：是由增稳系统发展而产生的一种飞行控制系统，用于提高直升机的稳定性和操纵性。自动悬停控制系统：悬停时3个姿态角、高度、纵向和侧向位置均处于稳定控制状态。自动过渡：自动控制直升机从悬停到前飞，和从前飞到悬停的过渡飞行第二节飞行控制系统组成结构基本回路舵回路：舵回路是一个伺服回路，其负载是自动倾斜器/舵面的惯性和作用在舵面上的气动力（铰链）力矩。舵回路舵机测速电机位置传感器放大器自动倾斜器/舵面--主要功能：稳定直升机姿态运动，即角运动。敏感元件主要为测量直升机姿态。稳定回路包括直升机的动态环节，其动态特性随飞行条件（高度、速度等）变。为此，会给分析带来困难。稳定回路：稳定回路自动驾驶仪舵回路直升机敏感测量元件放大计算装置自动倾斜器-控制回路（制导回路）：主要功能：实现直升机轨迹运动的稳定与控制。控制回路稳定回路舵回路直升机敏感测量元件放大计算装置自动倾斜器运动学环节接收机环节自动驾驶仪-总体结构常规飞行控制系统结构姿态角高度、航向、飞行速度伺服机构直升机阻尼器制导装置操纵机构-期望输出实际输出姿态控制器--数字式飞行控制系统结构姿态角高度、航向、飞行速度飞行控制计算机直升机测量元件飞行管理计算机操纵机构-地面计算机实际输出飞行制导计算机-位置飞行控制计算机：内回路，姿态控制。飞行制导计算机：外回路，轨迹控制。飞行管理计算机：导航，飞行航线计算，与地面计算机之间通讯。地面计算机：任务规划等第三节直升机飞行控制系统发展实现形式：飞行控制系统经历着由模拟式向数字式系统过渡。信号传递方式：由机械式向电传式、光传式迈进。控制律设计方法：传统的PID调节控制、多变量状态反馈控制、自适应控制、神经网络／模糊智能控制。功能要求：由单一任务的飞行控制系统发展到航空综合化系统，将实现飞行、火力、导航、显示等综合管理。直升机飞行控制系统的发展经历着不断进步的过程以美国为例：二十世纪五十年代起，先后研制了：“直升机控制增稳系统”（50年代）“用于自动稳定，自动过渡和多普勒自动悬停自动驾驶仪”（60年代）“全自动着路系统”（70年代）“综合飞行/推力控制系统”（80年代）“光传操纵系统在直升机上的验证”（80年代）“先进数字/光学控制系统”（90年代）“飞行/推力/火力综合控制系统”（90年代）随着电传/光传飞行控制系统研制成功，硬件余度技术也不断成熟。要求：熟悉有关直升机飞行控制概念、原理，基本掌握常规控制律设计方法，了解先进飞行控制系统设计方法和发展趋势。考核：上课出勤，课堂练习，大作业大作业参考选题1.样例直升机小扰动线化实现,并用PID控制器设计仿真（已知样例直升机参数，求状态方程系数矩阵，用C语言或MATLAB实现）。2.已知样例直升机状态方程，仿真实现比例/积分式自动飞行控制系统（用C语言）。3.已知样例直升机状态方程，用二次型/极点配置方法仿真实现自动飞行控制系统（用C语言或MATLAB）4.探索先进控制律设计方法在直升机飞行控制系统中应用的可行性（可以用仿真实例说明，也可以综述。如用综述，观点要明确，论据要充足，文字要求A4纸，5号字，不少于5页纸）5.直升机仿真技术中的虚拟现实（要求同4）6.自选与直升机飞行控制系统有关的题目（要求同4）参考书及文献直升机飞行控制(杨一栋）嵌入式控制系统及其C/C++实现直升机控制系统设计直升机飞行控制器及其使用直升机飞行控制系统(王昆玉)自动控制原理(胡寿松主编)线性系统理论（程鹏主编）EmbeddedControlSysteminC/C++Chapter2:PIDControl2.1Introduction2.2ChapterObjectives2.3PIDControl2.4PIDControllerImplementationinC/C++2.5SummaryChapter3:PlantModels3.1Introduction3.2ChapterObjectives3.3LinearTime-InvariantPlantModels3.4TimeDelays3.5StabilityofLinearModels3.6ModelDevelopmentMethods3.7SystemIdentificationTechniques3.8SummaryEmbeddedControlSysteminC/C++Chapter4:ClassicalControlSystemDesign4.1Introduction4.2ChapterObjectives4.3RootLocusDesign4.4BodeDesign4.5SummaryEmbeddedControlSysteminC/C++Chapter5:PolePlacement5.1Introduction5.2ChapterObjectives5.3ConceptsofPolePlacement5.4Controllability5.5Observability5.6PolePlacementControlDesign5.7StateEstimation5.8FeedforwardGain5.9CombinedObserver-Controller5.10IntegralControl5.11SummaryEmbeddedControlSysteminC/C++Chapter6:OptimalControl6.1Introduction6.2ChapterObjectives6.3ConceptsofOptimalControl6.4LinearQuadraticRegulatorDesign6.5KalmanStateEstimation6.6CombinedObserver-Controller6.7SummaryEmbeddedControlSysteminC/C++Chapter7:MIMOSystems7.1Introduction7.2ChapterObjectives7.3DifficultiesofMIMOControlDesign7.4SummaryEmbeddedControlSysteminC/C++Chapter8:Discrete-TimeSystemsandFixed-PointMathematics8.1Introduction8.2ChapterObjectives8.3DifferenceEquations8.4DiscretizationMethods8.5ChoosingaSamplingPeriod8.6Fixed-PointMathematics8.7C/C++ControlSystemImplementation8.8SummaryEmbeddedControlSysteminC/C++Chapter10:Wrap-UpandDesignExample10.1Introduction10.2ChapterObjectives10.3ControlSystemDesignApproaches10.4HelicopterSystem10.5HelicopterModel10.6HelicopterControllerDesign10.7ControllerImplementationinC++10.8SystemTesting10.9Summary