5.3控制增稳系统

5.35.3控制增稳系统控制增稳系统阻尼器和增稳系统的局限性：阻尼器和增稳系统的局限性：1.1.阻尼器与增稳系统能提高阻尼比和固有频率，却阻尼器与增稳系统能提高阻尼比和固有频率，却牺牲了操纵性；牺牲了操纵性；2.2.阻尼器和增稳系统无法解决非线性操纵指令问阻尼器和增稳系统无法解决非线性操纵指令问题，即当大机动飞行时，要求飞机具有较高的操题，即当大机动飞行时，要求飞机具有较高的操纵灵敏度，而小机动飞行时，则要求有较小的操纵灵敏度，而小机动飞行时，则要求有较小的操纵灵敏度。（眼镜蛇机动与纵灵敏度。（眼镜蛇机动与空中加油空中加油））zzMIGMIG--2929--OVTOVT战斗机眼镜蛇机动战斗机眼镜蛇机动SUSU--2727眼镜蛇机动过程眼镜蛇机动过程zz既不牺牲操纵性来提高阻尼比和固有频率，又可既不牺牲操纵性来提高阻尼比和固有频率，又可解决非线性操纵指令问题的方法，在阻尼器和增解决非线性操纵指令问题的方法，在阻尼器和增稳系统的基础上，就出现了兼顾以上两方面要求稳系统的基础上，就出现了兼顾以上两方面要求的控制增稳系统（的控制增稳系统（ControlaugmentationControlaugmentationsystemssystems--CASCAS）。）。一、控制增稳系统的构成与工作原一、控制增稳系统的构成与工作原理理图图55--1414俯仰控制增稳系俯仰控制增稳系统的原理图统的原理图hWfW可见，俯仰控制增稳系统主要由三大部分构成：可见，俯仰控制增稳系统主要由三大部分构成：11机械通道，传统的不可逆助力机械操纵系统；机械通道，传统的不可逆助力机械操纵系统；22增稳反馈回路，基本的自动飞行控制器；增稳反馈回路，基本的自动飞行控制器；33前馈电气通道，包括杆力传感器和指令模型。前馈电气通道，包括杆力传感器和指令模型。图中，图中，为高通滤波器（清洗网络）为高通滤波器（清洗网络）1)(+=sssWhττ11)(21++=sssWfττ为滤波器为滤波器俯仰控制增稳系统的方框图俯仰控制增稳系统的方框图基本工作原理：基本工作原理：11驾驶员的操纵信号经由不可逆助力操纵系驾驶员的操纵信号经由不可逆助力操纵系统构成的机械通道使升降舵面偏统构成的机械通道使升降舵面偏；；∆δM2.2.驾驶员的操纵信号同时又经前馈电气通驾驶员的操纵信号同时又经前馈电气通道，由杆力传感器道，由杆力传感器产生电压指令信产生电压指令信号，通过指令模型号，通过指令模型形成满足操纵要求形成满足操纵要求的电信号，再与增稳回路的反馈信号综合的电信号，再与增稳回路的反馈信号综合后使升降舵面偏转后使升降舵面偏转；；)(skp)(sM∆δE3.3.因为机械通道与前馈电气通道产生的操纵信号因为机械通道与前馈电气通道产生的操纵信号是同号的，所以总的升降舵面偏转应为是同号的，所以总的升降舵面偏转应为。由此可见，前馈。由此可见，前馈电气通道显然可以使驾驶员的操纵量增强。电气通道显然可以使驾驶员的操纵量增强。∆∆∆δδδeME=+zz由于电气通道是采用前馈形式，因此可以由于电气通道是采用前馈形式，因此可以使系统的开环增益取得很高，又不会减小使系统的开环增益取得很高，又不会减小系统的闭环增益而降低静操纵性，这是俯系统的闭环增益而降低静操纵性，这是俯仰控制增稳系统的显著特点之一。仰控制增稳系统的显著特点之一。zz利用这一特点可以通过提高前馈电气通道利用这一特点可以通过提高前馈电气通道的增益，以补偿由于增稳反馈回路的增益的增益，以补偿由于增稳反馈回路的增益取很大时，所造成系统的闭环增取很大时，所造成系统的闭环增益减小问题，从而改善系统的静操纵特性。益减小问题，从而改善系统的静操纵特性。δkka,yjpZZnyqyeFksMkkknKqKZ∆++∆−∆−=∆])([δδKkkkkyqyqaZ=δzz控制律控制律这里这里二、俯仰控制增稳系统的控制规律分析二、俯仰控制增稳系统的控制规律分析（（11））暂不考虑清洗网络和对重力的补偿以及调效机构的影响暂不考虑清洗网络和对重力的补偿以及调效机构的影响KkkkkynynaZZZ=δ分析结论：分析结论：zz当无操纵信号（当无操纵信号（）时，控制增稳系）时，控制增稳系统只起增稳的作用；统只起增稳的作用；zz控制增稳系统的作用取决于杆力传感器控制增稳系统的作用取决于杆力传感器和指令模型和指令模型zz由于增稳系统的权限较小，导致此种控制由于增稳系统的权限较小，导致此种控制律不具有自动配平功能，仍需要驾驶员利律不具有自动配平功能，仍需要驾驶员利用调效机构消除杆力实现配平。用调效机构消除杆力实现配平。0yF∆=)(skp)(sM（（22）带有调效机构的控制律）带有调效机构的控制律zz如果增加调效机构后（图中虚线部分），如果增加调效机构后（图中虚线部分），当不平衡的纵向力矩导致当不平衡的纵向力矩导致和和出现出现时，传感器感受到时，传感器感受到和和信号后，将通信号后，将通过增稳反馈回路使舵机动作而引起升降舵过增稳反馈回路使舵机动作而引起升降舵面偏转，当舵面转到增稳回路的规定权限面偏转，当舵面转到增稳回路的规定权限时，开关将接通调效机构，时，开关将接通调效机构，q∆zn∆q∆zn∆zz这相当于有驾驶员的杆力作用于机械通这相当于有驾驶员的杆力作用于机械通道，使舵机起到传动杆的作用，将使得舵道，使舵机起到传动杆的作用，将使得舵面继续偏转，产生足够的纵向平衡力矩，面继续偏转，产生足够的纵向平衡力矩，直到使直到使和和信号消失为止，实现自信号消失为止，实现自动配平功能，调效机构使比例式控制律变动配平功能，调效机构使比例式控制律变为等效的比例加积分控制律。为等效的比例加积分控制律。q∆zn∆yjpZZnyqyeFksMkkknKqKZ∆++∆−∆−=∆])([δδ{}[()]()ZZnqeyyZZpjynqyyZZpyKqKnkkkMskFKqKnkkkMsFdtδδδ∆=−∆−∆++∆+−∆−∆+∆∫zz无调效机构：无调效机构：zz由控制律由控制律比较可见，带有调效机构的控制律是将增比较可见，带有调效机构的控制律是将增稳反馈回路的信号和前馈电气通道的信号又经积分稳反馈回路的信号和前馈电气通道的信号又经积分环节后，施加到机械通道。环节后，施加到机械通道。zz有调效机构：有调效机构：（（33）具有预载的人工感觉装置的特性（解决）具有预载的人工感觉装置的特性（解决““力反传力反传””缺陷）缺陷）““力反传问题力反传问题””：：11）当采用舵机与人工操纵系统并联方式）当采用舵机与人工操纵系统并联方式时，舵机动作时会带动驾驶杆，而舵机不时，舵机动作时会带动驾驶杆，而舵机不动作时驾驶杆又不易拉动；动作时驾驶杆又不易拉动；22）而采用串联舵机时，当舵机拉杆锁住时，）而采用串联舵机时，当舵机拉杆锁住时，舵机只起普通传动杆的作用。当有信号输入舵机只起普通传动杆的作用。当有信号输入时，舵机的拉杆伸长或缩短，仍然有力反传时，舵机的拉杆伸长或缩短，仍然有力反传到驾驶杆，这就是所谓的到驾驶杆，这就是所谓的““力反传问题力反传问题””。。解决解决““力反传力反传””缺陷的方法：缺陷的方法：使人工感觉装置具有预载非线性特性。使人工感觉装置具有预载非线性特性。FZ0--舵机推动助力器活门阀芯的力舵机推动助力器活门阀芯的力--控制舵机的指令控制舵机的指令图图55--1616预载非线性特性预载非线性特性FZ0ZW只要推动阀芯（助力器活门）的力小于只要推动阀芯（助力器活门）的力小于，人工感觉，人工感觉装置就不会使反传力影响到驾驶杆，见下图所示。装置就不会使反传力影响到驾驶杆，见下图所示。（（44）人工操纵系统与串联舵机的控制权限问题）人工操纵系统与串联舵机的控制权限问题1.1.操纵权限是指所能操纵舵面行程的大小；操纵权限是指所能操纵舵面行程的大小；2.2.人工操纵系统的权限是指最大舵偏量减去人工操纵系统的权限是指最大舵偏量减去舵机拉杆最大位移所对应的舵偏量；舵机拉杆最大位移所对应的舵偏量；3.3.串联舵机的权限是指舵机拉杆达到最大位串联舵机的权限是指舵机拉杆达到最大位移时所对应的舵偏量。一般串联舵机的权移时所对应的舵偏量。一般串联舵机的权限为全权限的限为全权限的1/3~1/101/3~1/10。。例如，某飞机水平安定面的极限偏角为例如，某飞机水平安定面的极限偏角为和，而串联舵机的控制权限仅为。和，而串联舵机的控制权限仅为。比例加积分控制律实现自动配平，必须要比例加积分控制律实现自动配平，必须要有较大的控制权限有较大的控制权限!!!!!!三、控制增稳系统对飞机稳定性三、控制增稳系统对飞机稳定性和操纵品质的影响和操纵品质的影响（（11）对杆力灵敏度）对杆力灵敏度的影响的影响杆力灵敏度定义：杆力灵敏度定义：+→∆∆=0tyFFMyϑ&&yFMzz杆力灵敏度杆力灵敏度是一个衡量飞机操纵性的指标，是一个衡量飞机操纵性的指标，是评价飞机对操纵指令的初始反应性能。是评价飞机对操纵指令的初始反应性能。yFMzz下面以俯仰角速度下面以俯仰角速度回路进行分析。略去校正回路进行分析。略去校正网络环节后，可得到简化后的系统，如图所示。网络环节后，可得到简化后的系统，如图所示。简化后的俯仰控制增稳系统方框图简化后的俯仰控制增稳系统方框图)(sq∆为了更加便于分析，作等效变换为了更加便于分析，作等效变换变换后的俯仰控制增稳系统方框图变换后的俯仰控制增稳系统方框图传递函数传递函数可以由如下纵向短周期运动方程得到可以由如下纵向短周期运动方程得到zz系统的闭环传递函数为系统的闭环传递函数为)(sGqeδ)(1)()]([)()(sGLsGksMkkksFsqqqyqZpjyeeδδδ++=∆∆ZaqyqykkkkLδ=这里这里（（55--4444））⎪⎩⎪⎨⎧∆=∆−+∆+−=∆−∆−eqeMMsMsMVZVsδϑαϑαδααα&&&)()(0)(（（55--4545））其对应的传递函数为其对应的传递函数为2()()()eeqqeeqZMsqVGsZMZsMMsMVVαδδααααϑδδ−∆∆===∆∆−+++−&&*22()2espspspMsZssδαξωω+=++（（55--4646））式中式中VZZαα−=*ααααξMMZMMZqqsp−−−−=**2&ααωMMZqsp−−=*杆力灵敏度又可写成杆力灵敏度又可写成++==∆∆=∆∆=00tytyFFqFMy&&&ϑ将系统的闭环传递函数（将系统的闭环传递函数（55--4444）两边同乘以）两边同乘以SS得得ssGksMkkksFsqBZpjy⋅+=∆∆)()]([)()(δ&（（55--4747））式中式中*22*()()()1()(2)()eeeeeqBqqqqyspspyspyGsMsZGsLGssLMsLMZδδαδδδαξωω+==+++++zz假设杆力输入为单位阶跃信号假设杆力输入为单位阶跃信号ssFy1)(=∆MksM=)(zz并假定指令模型为并假定指令模型为代入传递函数（代入传递函数（55--4747）后，写成）后，写成)(lim)(lim0ssFtfst∞→→=)()()(sGkkkkksqBZMpjδ+=∆&（（55--4848））根据拉普拉斯变换的初始定理和终值定理根据拉普拉斯变换的初始定理和终值定理可知，可知，初始值满足关系式初始值满足关系式eeeeeeeMkkkkksZMLsMLsZMkkkkkZMLsMLsZsMskkkkktqZMpjqyspqyspspZMpjsqyspqyspspZMpjstδδαδδαδδαδδαδδωωξωωξ)(1)(1)2(1)1()(lim)()2()()(lim)(lim2*2**22*0+=⋅++⋅+++⋅+=+++++⋅⋅+=∆∞→∞→→&（（55--5050））zz那么，对于普通的增稳系统由于没有前馈电气通那么，对于普通的增稳系统由于没有前馈电气通道，所以令道，所以令。这样，普通增稳系统的。这样，普通增稳系统的杆力灵敏度为杆力灵敏度为0lim()ejZtqtkkMδ→∆=⋅&0=Mk（（55--5151））zz由（由（