[原创] 简述现代飞行控制系统的发展和Cy27/30飞控系统控 ...

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/28 02:18:46


飞行控制是飞机的灵魂,也是坛子里很多兄弟关心的话题。

本科的时候学过飞控专业课,平时自己也对这个比较感兴趣,我尽量用最简单的语言对一些最简单的概念进行描述,想起啥再慢慢补充,随时更新,不是什么授课,只是把自己的理解和大家一起交流而已,坛子里卧虎藏龙的高人很多,欢迎同好指正和讨论。:P


1. 外回路和内回路

飞行控制,说白了就是控制飞机去飞行。

但是对于飞行控制,很多朋友经常会把AFCS(自动飞行控制系统)和PFCS/FBW(主飞行控制系统/电传飞行控制系统)的功能搞混。

以民航航线飞行为例,大家知道民航机的飞行行为分为两种,一种是从A地飞抵B地,一种是飞行过程中的颠簸,倾斜,偏航。

对于前一种飞行,我们针对地球本体坐标系(或称为大地坐标系)研究飞机的运动,可以把飞机看成“质点”,把它称为位移或者叫飞机的轨迹控制,这个属于飞机的“外回路”控制,通常由自动飞行控制系统(AFCS)或者驾驶仪(AP)实现,现代飞机还将导航计算机升级,发展成具备多功能的任务管理系统(VMS/FMS),指导或者直接替代AFCS进行飞机的4D导航控制。现在流行的“火-飞-推”,也是外回路的事。

对于后一种飞行,是针对飞机本体坐标系和气流坐标系进行研究,研究的飞行的“姿态”。这个本质是如何权衡飞机的稳定性和机动性设计,这个属于飞机的“内回路”控制,是控制增稳系统/电传控制系统需要解决的问题。

其实,飞行控制说白了就是玩牛顿力学、坐标系变换和控制理论,现在战斗机上用坐标系,最多能定义出超过10个,如何把握其中各个用途的坐标系之间的原点平移和转动也是门基础。

飞行控制是飞机的灵魂,也是坛子里很多兄弟关心的话题。

本科的时候学过飞控专业课,平时自己也对这个比较感兴趣,我尽量用最简单的语言对一些最简单的概念进行描述,想起啥再慢慢补充,随时更新,不是什么授课,只是把自己的理解和大家一起交流而已,坛子里卧虎藏龙的高人很多,欢迎同好指正和讨论。:P


1. 外回路和内回路

飞行控制,说白了就是控制飞机去飞行。

但是对于飞行控制,很多朋友经常会把AFCS(自动飞行控制系统)和PFCS/FBW(主飞行控制系统/电传飞行控制系统)的功能搞混。

以民航航线飞行为例,大家知道民航机的飞行行为分为两种,一种是从A地飞抵B地,一种是飞行过程中的颠簸,倾斜,偏航。

对于前一种飞行,我们针对地球本体坐标系(或称为大地坐标系)研究飞机的运动,可以把飞机看成“质点”,把它称为位移或者叫飞机的轨迹控制,这个属于飞机的“外回路”控制,通常由自动飞行控制系统(AFCS)或者驾驶仪(AP)实现,现代飞机还将导航计算机升级,发展成具备多功能的任务管理系统(VMS/FMS),指导或者直接替代AFCS进行飞机的4D导航控制。现在流行的“火-飞-推”,也是外回路的事。

对于后一种飞行,是针对飞机本体坐标系和气流坐标系进行研究,研究的飞行的“姿态”。这个本质是如何权衡飞机的稳定性和机动性设计,这个属于飞机的“内回路”控制,是控制增稳系统/电传控制系统需要解决的问题。

其实,飞行控制说白了就是玩牛顿力学、坐标系变换和控制理论,现在战斗机上用坐标系,最多能定义出超过10个,如何把握其中各个用途的坐标系之间的原点平移和转动也是门基础。
连本科的东西都记得,厉害。我只记得我上课睡觉了
还有吗?
是不是插队了?
2. 飞行控制的基本任务和方式

飞行控制的基本任务就是稳定飞机重心在空间的轨迹运动,还有控制飞机的角运动。对重心运动的控制也是通过对角运动的控制而实现的,飞行控制系统都是三轴控制系统,基本的原理是负反馈。

学过自动控制的人都知道一句名言----“稳定压倒一切”,这句话对治国,对自动控制,都是一句真理。

通常来说,我们习惯将运动分解为纵向和横侧向两个方向,高楼里的普通电梯是纵向运动的,而平地上的汽车只能进行横侧向运动。

对于纵向飞行控制,飞行控制的基本任务是使俯仰角为零,或者接收驾驶员或AFCS的信号,控制飞机俯仰。这个过程中,飞控系统控制的是左右升降舵的同步偏转。对于没有平尾的飞机,一般靠副翼的同步偏转来实现“升降副翼”的控制作用。


由于飞机的横侧向运动是倾斜和偏航两个轴的耦合,因此控制起来比纵向稍难些。

对于侧向飞行控制,飞控的基本任务是使偏航角和横滚角为零,或者根据驾驶员或AFCS的信号,控制飞机转向。

偏航力矩使飞机在水平面内转动(和汽车转向一样),而侧向力使飞机速度矢量在水平面内改变方向。


飞机进行横侧向飞行控制,主要是控制方向舵、副翼和进行平尾差动。

当只靠蹬舵来控制航向时,飞机上垂直陀螺仪的滚转角信号叠加进副翼通道,使机翼建立和保持水平,航向陀螺信号则形成航向偏差信号,用来控制航向。同时需要经过角度微分,将角速度信号反馈给方向舵和副翼通道,增加阻尼,增加稳定。

当只靠副翼或者通过平尾差动和副翼耦合来修正航向时,方向舵可用来削弱荷兰滚,减小侧滑。
欢迎插队,随时讨论
俺如饥似渴求知识[:a2:]
希望PLA大如滔滔江水延绵不绝[:a15:]
顶版主发连载科普啊。
牛魔王大大难得做科普帖子。一定要支持。
只是不是学飞行专业的,实在插不上嘴。搬个小板凳慢慢等科普。
PS问一个和生活有关的问题,也是小菜一直想的问题,飞机上的电传能否嫁接到汽车上呢???
3. 飞控系统的发展---电传以前


飞机的飞行控制系统经历了机械操纵系统、半助力操纵系统、全助力操纵系统、增稳系统、增稳控制系统、半电传系统、电传系统和光传系统这8个阶段。


机械操纵系统就是驾驶员直接拉钢索控制舵面,由人感受全部舵面力矩;


半助力操纵系统是针对飞机飞行速度加大,舵面控制力矩加大,由助力机构帮助驾驶员按比例减小杆力的机械操纵系统,杆力由助力器和驾驶员共同承担;


全助力操纵系统又叫不可逆助力操作系统,由于飞机开始实现超音速飞行,作用在舵面上的气动力还有压心位置变化很大,由驾驶员去直接感受舵面力矩已经没有意义,如果出现杆力反向可能还会出现危险,因此出现了全助力操纵系统;完全不会反馈舵面力给驾驶员。驾驶杆上的力由载荷机构/调校机构模拟;


飞机飞得越高越快,在高空大M数时阻尼急剧减小,飞机的稳定性变差,很容易飘摇,会极大增加驾驶负担,因此飞行控制系统发展至增稳系统,是为了增加飞机纵向和侧向静稳定性和动稳定性。


其实,看过GJB185就知道,最简单的飞行品质,就是对飞机各项阻尼比和固有频率的要求。增稳系统本质上属于“阻尼器”,只引入了角速度反馈,改变不了飞机的固有频率。因此增稳系统改善飞行品质的力度有限。


增稳系统只能改变飞机传递函数的分母,或者说,只能改善飞机的稳定性而已,但是飞机传递函数系数减小,飞机的机动性也下降了。因此在增稳系统基础上引入前馈通道,可以增加控制功能,这就形成了增稳控制系统,能较好的中和“稳定性”和“机动性”的矛盾。
淹死的鱼 发表于 2010-3-1 23:01


    稍后讲电传的优势和劣势
4. 电传飞行控制系统
增稳控制系统其实距离准电传系统已经很近了,只需要加一个离合器,让使用增稳控制系统时,机械系统不参与即可。

早期的增稳控制系统可靠性比较差,远远不如机械操纵系统安全(我仿佛记得谁曾经说过,如果能做纯机械的计算机,绝对不要电子的),因此准电传系统,其实就是有机械备份的电传系统。

所谓的电传,或者叫线传(fly by wire),就是把驾驶员或者AFCS的控制信号经过解算,再通过电线传导电信号的方式传递给舵机。为了完全替代机械操纵系统,电传系统必须具有一定的余度--- 或者说是“电气备份”。

以现在的技术来看,一般3余度或4余度的电传系统,其可靠性指标基本就已经逼近机械操纵系统了。

电传取代了除了助力器以外的整个机械操纵系统,含有完整的负反馈控制回路,能保证飞行品质的改善。

电传与飞机形成完整的一个闭环系统,驾驶员的闭环作用已经几乎不体现了,驾驶员其实变成了和驾驶仪一样的“外回路”,用自动控制的话来说,就是电传飞机的驾驶员就是个“指令部件”,而不是“动态环节”。

可以说,电传操纵系统的固有品质特性和驾驶员没什么关系。

电传的优点不少:
1. 减重,节约空间
2. 消除了钢索死区,滞后,改善操纵性能,并且提高了飞行控制精度-----尤其对于大飞机,要是用钢索的话没准有几十米长,死区很严重,没准驾驶员拉半天杆,舵面一点反应都还没有。
3. 不会因为机械弯曲造成控制部件卡死
4. 简化了AFCS的接口,促进了现代飞行控制系统功能的拓展,并且直接使ACT技术成为可能。

此外还有好多好多,一时想不起来
简化工业生产,都做成一个个的ECU小部件了,组装容易,检修简单,而且可以自检,通过自检位置传感器,飞机准备时间短,维修快捷
5. 模拟电传/混合电传和数字电传

这个也算是个长久不息的话题吧。。。

简单来说,模拟电传基本上就是去掉了机械备份的增稳控制系统,只不过余度多(增稳控制系统无余度)。

学过数字电路和模拟电路的兄弟都知道这两者的区别,电传也是一样。

模拟电传就是一切部件和电路都是单功能硬件/电路的电传,再说白了就是用电阻、管儿什么的模拟元件生生拼出来的。

这些电路要实现全部功能,还要进行余度运算和管理,其实很是NB。

一般来说,飞机的传感器,譬如动压/加速度传感器提供的都是交/直流信号,那么对于交流工作的电传系统,需要先把直流信号进行滤波、校正,在通过DA转换成AC信号。对于交流信号呢,要先AD,滤波,校正后再DA。

交流信号之间通过放大器进行综合,形成指令信号,并且经过变增益、滤波等环节,去掉高频信号,驱动舵机。

模拟计算机的神奇之处就在于一个电路一个专用用途,不可干别的。所以模拟计算机里面板子很多,都是专用的小计算机。

模拟电路的设计比较直观,但是飞行控制是个连续、高速处理的过程,模拟系统的致命缺点就是会积累零位偏差和噪声,长时间连续高速处理信号,有可能系统会崩溃/跑飞。

此外有的功能用模拟电路处理起来真的太复杂了------------- 不信你自己搭个能实现余度管理和监控的模拟计算机试下。



随着数字电路的发展,全数字计算机诞生了~~ 此处不再详细介绍。


但是对于电传飞行控制系统来说,并不是说一个或4个计算机就是一个系统,这个系统应该包含传感器、计算机到舵机。

如果是模拟式的传感器+数字式计算机,那么就是混合电传,如果是数字式传感器+数字式计算机,就是全数字电传。



对于数字式飞行控制计算机来说,一般分为几个模块,I/O(输入输出)、CPU(核心处理)、A/D和D/A、PS(电源)、MBI(多路数据总线接口)等。



数字式系统精度高、运算快、资源充足拓展能力强等优势不用说,但是其缺点也是很明显的:

数字电路故障诊断比较麻烦,不能通过测电阻、导通等方式定位故障;
软件是个大麻烦。


对于软件问题,很有可能形成单点故障----------即3或4余度的硬件都没问题,但是由于单余度的软件存在BUG,导致系统全部崩溃。
靠前就坐看科普,爽,谢大大了
今天先写到这里,明天晚上说自动飞行控制系统还有Cy-27/30
淹死的鱼 发表于 2010-3-1 23:01


    回答汽车上电传这个问题。

1. 电传系统因为安全性、可靠性等要求的原因,安全等级较高,成本较高
2. 汽车的机械传递路线简单可靠,且都是水平面内的简单运动,用电传没什么意义
3. 电传操纵系统需要模拟杆力,现在大点的汽车操纵起来有助力器,已经很方便了,看不到电传应用的价值~
{:yan:}我也来好好研究一下
PLA 发表于 2010-3-1 23:45


    谢谢牛版大大的解惑。
小菜不专业。考虑这个问题的时候唯一想到的就是估计应该很贵。:D
求教版主这个agility 和 maneuverability有何区别?是否都是指操纵的响应速度?
淹死的鱼 发表于 2010-3-1 23:58


    我也不是电传的专业人士哈。。 1L就说了大家共同讨论:handshake
PLA 发表于 2010-3-1 23:45

汽车有用电传的,目的是防止极端情况下误操作失控翻车
boeing2707 发表于 2010-3-2 00:00


    翻译过来都是敏捷性/机动性的意思,针对机动性,我个人的理解就是改变速度合矢量的能力,这主要是指飞机和控制系统的动态特性指标
PLA 发表于 2010-3-1 23:39
“模拟电路的设计比较直观,但是飞行控制是个连续、高速处理的过程,模拟系统的致命缺点就是会积累零位偏差和噪声,长时间连续高速处理信号,有可能系统会崩溃/跑飞。”

这个目前的电子器件水平下不是问题,R C 运放的零点 年漂移都很小的说。
模拟的主要麻烦是改动算法太不方便了,要直接改电路
bull㊣ 发表于 2010-3-2 00:03


    那这个我就不清楚了。。。 如何保护?在一定的车速范围内,不响应一定速率的驾驶盘线位移或者角位移?
bull㊣ 发表于 2010-3-2 00:05

有的模拟系统,打开机箱光数那飞线就够要命的了
顶科普强贴啊!:D
电传动客车比如豪华的尼奥普兰就是电传动的
回复 24# bull㊣


    模拟电路受到高低温影响,空气湿度,电路污染,撞击变形等等因素影响,比如污染或者附着物会改变分布电容和电感,导致每次任务都要重新标定测试设置,参见需要电桥和标定电池才能维修的F14,每飞行小时DMMH 接近100小时
搬个小板凳坐看斑竹授课,嗯,好好学习
PLA 发表于 2010-3-2 00:07
差不多,演示画面就是菜鸟驾驶也能高速下玩漂移
hillsboro1 发表于 2010-3-2 00:18
F14那个年代的模拟技术和现在完全是两回事。比如那个年代要精密测量低频小信号,用到的办法
极其蛋痛,是用机械继电器进行斩波,然后交流放大后再精密整流,整个东西很大一坨。
现在么 经典的ICL7650 一片芯片搞定
阵风就用了模拟飞控作为数字飞控的备份。貌似没听说地勤叫苦连天。


还有 个人对数字传感器极度的不感冒,
因为就个人工作经历来看 数字传感器抗粗大误差能力不行。
抗雷击能力更烂。
而数字传感器所谓的精度优势,基本体现不出来,
不清楚军用场合模拟传感器对外接口是什么,工控场合 模拟传感器输出的是4-20mA电流信号,这本身的抗干扰能力就已经很强了。

最后,问一个我已经问了数次的问题。
现代战斗机的作动器貌似是用电液伺服阀门控制的。
这个东西的对外接口是什么,电流信号?电压信号?

还有 个人对数字传感器极度的不感冒,
因为就个人工作经历来看 数字传感器抗粗大误差能力不行。
抗雷击能力更烂。
而数字传感器所谓的精度优势,基本体现不出来,
不清楚军用场合模拟传感器对外接口是什么,工控场合 模拟传感器输出的是4-20mA电流信号,这本身的抗干扰能力就已经很强了。

最后,问一个我已经问了数次的问题。
现代战斗机的作动器貌似是用电液伺服阀门控制的。
这个东西的对外接口是什么,电流信号?电压信号?
bull㊣ 发表于 2010-3-2 00:30


    还轮不到地勤叫苦~ 地勤现场或者大修厂只能进行LRU的更换,真正换SRU的都是在后方,也就是承制厂或转承制厂的车间
PLA 发表于 2010-3-2 00:47
明白了,
还有现在标定应该不需要象F14用标准电池和电桥那么惨了。
现在有过程校验仪,电流电压电阻毫伏压力都可以直接标定。。。。。。。
bull㊣ 发表于 2010-3-2 00:31


    现在的飞行控制系统只有电传还有自己独立的模拟式传感器了,AFCS已经是直接总线接收FMS或者PFCS转发的数字量了,变成了真正的DFCS--数字式飞行控制系统。据我所知,机载模拟传感器的接口是15V/27V硬线DC信号。舵机前端,电传计算机后端是ACE--作动器控制电子,驾驶员貌似可以通过ACE进行直接控制,就是所谓的硬连接。直接驱动舵机的是硬线连接,电流控制,位置闭环。
PLA 发表于 2010-3-2 00:56
多谢说明 谢谢
bull㊣ 发表于 2010-3-2 00:49


    零位标定挺麻烦的,出厂一次,装机一次,定检还要。根据GJB有关通用保障设备的规定,目前有自动测试设备进行零位标定,不过对于一些模拟部件,譬如Cy-27/30的一些部件,还需要机务手工去调电阻的
PLA 发表于 2010-3-2 01:00
那就是数字电位器还不够强壮,还不能上军用。我们做仪表的是一百个不喜欢机械电位器。。。。。。