現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

近幾十年來(lái)，隨著飛機(jī)性能的不斷提高，飛行控制技術(shù)發(fā)生了很大的變化，出現(xiàn)了主動(dòng)控制技術(shù)、綜合控制技術(shù)、自主飛行控制技術(shù)等先進(jìn)的飛行控制技術(shù)，飛行控制系統(tǒng)與航電系統(tǒng)出現(xiàn)了高度綜合化的趨勢(shì)?，F(xiàn)代高性能飛機(jī)對(duì)飛行控制系統(tǒng)提拙了更高的要求，使用古典控制理論設(shè)計(jì)先進(jìn)飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)已越來(lái)越困難。為了獲得更好的飛行品質(zhì)，許多現(xiàn)代控制方法被應(yīng)用到飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。這些控制方法可以概括為三類：頻域法，如線性二次型調(diào)節(jié)器／線性二次型高斯函數(shù)／回路傳遞恢復(fù)方法（LQR／LQG／LTR）、定量反饋理論（Quanti-tatiVe Feedback Theory）方法和動(dòng)態(tài)逆方法等；數(shù)值最優(yōu)方法，如H。。方法、u綜合方法等；時(shí)域法，如特征結(jié)構(gòu)配置（Eigenstructure Assignment）方法。應(yīng)該說(shuō)明的是，到目前為止由于飛機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)范和評(píng)價(jià)體系仍然是用古典控制理論的概念來(lái)描述的，而且在大多數(shù)情況下古典控制方法仍十分有效，所以現(xiàn)代控制方法在當(dāng)代飛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用不是很廣泛。但是人們對(duì)飛機(jī)飛行性能的不斷追求和古典控制理論的局限性也促使人們堅(jiān)持不懈地開(kāi)展現(xiàn)代控制方法在飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。隨著人們對(duì)飛機(jī)性能要求的提高，現(xiàn)代控制方法將在飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中取得更廣泛的應(yīng)用。本書(shū)各章節(jié)具體內(nèi)容為：第1章，飛行動(dòng)力學(xué)，主要介紹作用在飛機(jī)上的力和力矩、飛機(jī)的靜穩(wěn)定性、飛機(jī)的飛行性能；第2章，現(xiàn)代飛行品質(zhì)及其評(píng)價(jià)方法，主要介紹飛機(jī)的操縱性、飛行品質(zhì)規(guī)范、等效系統(tǒng)、飛機(jī)縱側(cè)向飛行品質(zhì)和人一機(jī)閉環(huán)特性；第3章，LQG／LTR設(shè)計(jì)方法，主要介紹LQG／LTR設(shè)計(jì)方法的基本理論和設(shè)計(jì)步驟，并通過(guò)兩個(gè)實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明了該方法在飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；第4章，定量反饋理論（QFT）設(shè)計(jì)方法，主要介紹QFT方法的基本理論和設(shè)計(jì)步驟，并通過(guò)兩個(gè)實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明了該方法在飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；第5章，特征結(jié)構(gòu)配置方法，主要介紹特征結(jié)構(gòu)配置方法的基本理論和設(shè)計(jì)步驟，并通過(guò)兩個(gè)實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明了該方法在飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；第6章，電傳飛行控制系統(tǒng)，主要介紹電傳飛行控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、余度技術(shù)、典型飛機(jī)的電傳飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制律結(jié)構(gòu)。

內(nèi)容概要

　　《現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》重點(diǎn)介紹了現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和近年來(lái)飛行控制系統(tǒng)的新發(fā)展和新技術(shù)。全書(shū)共分為8章。第1章，飛行動(dòng)力學(xué)；第2章，現(xiàn)代飛行品質(zhì)及其評(píng)價(jià)方法；第3章，LQGLTR設(shè)計(jì)方法；第4章，定量反饋理論（QFT）設(shè)計(jì)方法；第5章，特征結(jié)構(gòu)配置方法；第6章，電傳飛行控制系統(tǒng)；第7章，主動(dòng)控制技術(shù)；第8章，其他現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)?！　　冬F(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》大部分內(nèi)容是結(jié)合作者多年科研成果編寫(xiě)而成的?！冬F(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》可用做導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制學(xué)科研究生的教材，也可用做高年級(jí)本科生及相關(guān)專業(yè)科技工作者的參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

第1章 飛行動(dòng)力學(xué)1.1 引言1.2 描述飛機(jī)運(yùn)動(dòng)常用坐標(biāo)系和常用運(yùn)動(dòng)參數(shù)1.2.1 坐標(biāo)系的定義1.2.2 常用坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換1.3 作用在飛機(jī)上的力和力矩1.3.1 空氣動(dòng)力和力矩1.3.2 飛機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)及其偏轉(zhuǎn)極性1.3.3 縱向氣動(dòng)力和力矩1.3.4 橫側(cè)向氣動(dòng)力和力矩1.4 飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程1.4.1 基本假設(shè)1.4.2 基本動(dòng)力學(xué)方程1.4.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程1.4.4 飛機(jī)運(yùn)動(dòng)方程的線性化1.5 飛機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)和橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)方程及其線性化1.5.1 縱向運(yùn)動(dòng)方程1.5.2 縱向運(yùn)動(dòng)方程線性化1.5.3 飛機(jī)的橫側(cè)運(yùn)動(dòng)1.6 飛機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)和橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)和典型運(yùn)動(dòng)模態(tài)1.6.1 飛機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)的典型示例、擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的兩種模態(tài)1.6.2 縱向運(yùn)動(dòng)模態(tài)及其物理成因1.6.3 縱向運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)1.6.4 橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)1.6.5 飛機(jī)橫側(cè)運(yùn)動(dòng)典型示例1.6.6 荷蘭滾模態(tài)、螺旋和滾轉(zhuǎn)模態(tài)小結(jié)復(fù)習(xí)思考題參考文獻(xiàn)第2章 現(xiàn)代飛行品質(zhì)及其評(píng)價(jià)方法2.1 概述2.2 飛機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范的基本體制2.2.1 飛機(jī)的分類2.2.2 飛行任務(wù)階段的種類2.2.3 飛行品質(zhì)的等級(jí)2.3 飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性2.4 飛機(jī)飛行品質(zhì)的常用評(píng)價(jià)準(zhǔn)則2.4.1 等效系統(tǒng)的概念、原理和方法2.4.2 俯仰軸的飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則2.4.3 飛機(jī)法向飛行軌跡軸的要求2.4.4 飛機(jī)縱向速度軸的要求2.4.5 飛機(jī)滾轉(zhuǎn)軸的飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則2.4.6 航向軸的飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則2.5 人－機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)小結(jié)復(fù)習(xí)思考題參考文獻(xiàn)第3章 LQG／LTR設(shè)計(jì)方法3.1 多變量頻域技術(shù)3.1.1 靈敏度與補(bǔ)靈敏度3.1.2 頻域性能指標(biāo)3.2 觀測(cè)器設(shè)計(jì)3.3 卡爾曼濾波器3.4 基于分離定理的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)3.5 線性二次型調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定裕度3.6 回路傳遞恢復(fù)3.7 飛行控制律設(shè)計(jì)實(shí)例3.7.1 俯仰姿態(tài)保持控制律設(shè)計(jì)3.7.2 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制律設(shè)計(jì)小結(jié)復(fù)習(xí)思考題參考文獻(xiàn)第4章 定量反饋理論(QFT)設(shè)計(jì)方法4.1 定量反饋理論基礎(chǔ)4.1.1 Nichols圖4.1.2 Nyquist穩(wěn)定判據(jù)4.1.3 閉環(huán)系統(tǒng)性能指標(biāo)4.2 LTISISO系統(tǒng)QFT設(shè)計(jì)原理和步驟4.2.1 QFT的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)4.2.2 對(duì)象模板4.2.3 性能指標(biāo)設(shè)計(jì)4.2.4 邊界的種類與計(jì)算4.2.5 復(fù)合邊界4.2.6 回路整定4.2.7 前置濾波器設(shè)計(jì)4.2.8 QFT設(shè)計(jì)步驟小結(jié)4.3 LTIMIMO系統(tǒng)的QFT設(shè)計(jì)4.3.1 問(wèn)題描述4.3.2 MIM0系統(tǒng)到MISO系統(tǒng)的等效分解4.3.3 近似不相關(guān)設(shè)計(jì)方法4.3.4 設(shè)計(jì)步驟4.4 非最小相位不穩(wěn)定系統(tǒng)的QFT設(shè)計(jì)4.5 飛行控制律設(shè)計(jì)實(shí)例4.5.1 俯仰姿態(tài)保持控制律設(shè)計(jì)4.5.2 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制律設(shè)計(jì)小結(jié)復(fù)習(xí)思考題參考文獻(xiàn)第5章 特征結(jié)構(gòu)配置方法5.1 特征值和特征向量對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響5.2 全狀態(tài)反饋5.3 輸出反饋5.3.1 問(wèn)題描述5.3.2 特征向量的可配置性5.3.3 反饋增益矩陣算法5.4 飛行控制律設(shè)計(jì)實(shí)例5.4.1 俯仰姿態(tài)保持控制律設(shè)計(jì)5.4.2 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制律設(shè)計(jì)5.4.3 飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)小結(jié)復(fù)習(xí)思考題參考文獻(xiàn)第6章 電傳飛行控制系統(tǒng)6.1 飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展6.2 電傳飛行控制系統(tǒng)的特點(diǎn)6.3 電傳飛行控制系統(tǒng)的余度技術(shù)6.3.1 概述6.3.2 余度設(shè)計(jì)方法6.3.3 余度配置6.3.4 余度管理6.4 電傳飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)6.4.1 空客A320飛機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)6.4.2 空客A340飛機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)6.4.3 空客A380飛機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)6.4.4 F-16飛機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)6.5 電傳飛行控制系統(tǒng)的控制律結(jié)構(gòu)6.5.1 控制律的余度6.5.2 正?？刂坡山Y(jié)構(gòu)6.5.3 備選控制律結(jié)構(gòu)6.5.4 直接控制律結(jié)構(gòu)小結(jié)復(fù)習(xí)思考題參考文獻(xiàn)第7章 主動(dòng)控制技術(shù)7.1 概述7.2 放寬靜穩(wěn)定性7.2.1 飛機(jī)靜穩(wěn)定性的定義……第8章 其他現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)思考題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第二步：確定設(shè)計(jì)特性要求。根據(jù)對(duì)象響應(yīng)要求來(lái)確定其動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性指標(biāo)。如是時(shí)域指標(biāo)應(yīng)轉(zhuǎn)換成頻域的指標(biāo)。第三步：選擇頻率集。在進(jìn)行設(shè)計(jì)前，首先選擇一個(gè)頻率集，以便進(jìn)行模板和邊界計(jì)算。由于模板和邊界的計(jì)算比較復(fù)雜，運(yùn)算量也比較大，在選擇頻率集時(shí)既要顧及到準(zhǔn)確性也要考慮到計(jì)算量。第四步：被控對(duì)象參數(shù)變化范圍的確定及模板計(jì)算。通常，參數(shù)的變化范圍由實(shí)驗(yàn)或依參數(shù)變化規(guī)律經(jīng)歸納后定出。同樣是考慮到計(jì)算量，范圍不宜太大；而考慮到被控對(duì)象描述的準(zhǔn)確性，范圍不宜太小；這就需要設(shè)計(jì)者依經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況來(lái)界定。第五步：標(biāo)稱模型的選取。它將用于生成邊界和控制器合成。第六步：邊界的生成及其綜合。利用第二步得到的設(shè)計(jì)特性和第四步得到的模板，在頻域內(nèi)的每個(gè)試驗(yàn)頻率點(diǎn)處生成相應(yīng)的邊界。第七步：回路整定。根據(jù)第六步得到的最優(yōu)邊界來(lái)設(shè)計(jì)控制器。設(shè)計(jì)控制器就是使開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)曲線在所選擇的設(shè)計(jì)頻率點(diǎn)處的位置位于對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)的邊界的上方，且離邊界越近越好，在高頻處還應(yīng)保證該曲線不與穩(wěn)定邊界相交，最好不進(jìn)入高頻。一般的回路整定過(guò)程可總結(jié)如下：（1）控制以純?cè)鲆鎭?lái)滿足低頻特性。（2）加入超前和或滯后環(huán)節(jié)來(lái)滿足低頻邊界，同時(shí)減小控制器的增益。（3）增加滯后環(huán)節(jié)來(lái)滿足高頻邊界。（4）改變控制器參數(shù)，通過(guò)降低控制器的高頻增益來(lái)減小控制器的帶寬。（5）每增加一個(gè)零點(diǎn)，增加足夠遠(yuǎn)的極點(diǎn)或者復(fù)數(shù)極點(diǎn)對(duì)，以使極點(diǎn)數(shù)不少于零點(diǎn)數(shù)。第八步：設(shè)計(jì)前置濾波器?；芈氛ㄔO(shè)計(jì)出的控制器確保了系統(tǒng)閉環(huán)回路在頻域里的穩(wěn)定性要求和對(duì)擾動(dòng)的抑制作用，但不能保證系統(tǒng)的輸出滿足單位階躍響應(yīng)的上下邊界要求，加入前置濾波器可以調(diào)整系統(tǒng)的整體頻率響應(yīng)特性。第九步：分析驗(yàn)證。QFT方法的最后一步是分析新系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)是否滿足所有的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，也要進(jìn)行時(shí)域仿真，檢查系統(tǒng)是否滿足單位階躍響應(yīng)特性要求。如果全部滿足，則設(shè)計(jì)結(jié)束，否則進(jìn)行必要的修改或重新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)程序時(shí)希望對(duì)干擾輸入抑制得越小越好，但是指標(biāo)設(shè)置得越小則控制器的結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，并且由于實(shí)際被控對(duì)象的舵面存在限幅，使得指標(biāo)設(shè)置小時(shí)反而控制效果較差。因此該指標(biāo)應(yīng)權(quán)衡取值。

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