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自动驾驶仪.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.62M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    封面
    文摘
    英文文摘
    中国民航大学学位论文独创性声明及使用授权声明
    第一章绪论
    1.1课题研究的来源和意义
    1.2飞行模拟机概述
    1.3自动驾驶控制系统控制方法的发展概况
    1.4本文主要工作
    第二章自动飞行系统仿真方法概述
    2.1自动飞行系统组成及原理简介
    2.2自动飞行系统的仿真方法及特点
    2.3自动飞行系统的飞行方式及仿真软件模块功能
    2.3.1飞行方式
    2.3.2自动飞行系统仿真软件模块功能
    2.4本章小结
    第三章纵向模态控制律设计
    3.1俯仰姿态保持/控制模态控制律设计
    3.2俯仰自动改平与低高度拉起模态控制规律
    3.3高度保持/控制模态的控制律设计
    3.4空速(Ma数)的保持与控制
    3.5本章小结
    第四章横侧向模态控制律设计
    4.1横侧向自动驾驶仪的内回路
    4.2倾斜姿态保持/控制模态
    4.3倾斜姿态自动改平和航向保持/控制模态控制律设计
    4.4导航模态控制律参数选择
    4.5协调转弯与高度补偿
    4.6本章小结
    第五章自动油门系统
    5.1系统的组成和工作原理
    5.1.1飞行速度控制系统
    5.1.2自动油门系统和自动驾驶仪的协同工作
    5.1.3自动油门系统的组成
    5.2自动油门系统设计
    5.2.1飞机数学模型
    5.2.2发动机
    5.2.3控制律设计
    5.3本章小结
    第六章方式控制面板
    6.1 F/D开关、飞行指引开关及自动驾驶仪
    6.2自动油门模块
    6.3水平航向模块
    6.4垂直航向模块
    6.5高度控制模块
    6.6本章小结
    第七章结论与展望
    7.1结论
    7.2展望
    致谢
    参考文献
    作者简介
    中国民航大学硕士学位论文飞行模拟机自动驾驶控制系统研究姓名：魏丽娜申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：高建树20070118
    中国民航大学颐上学竹论文摘要飞行模拟机是综合人的视觉信息、听觉信息、运动感觉信息的人在回路实时仿真系统。飞行模拟机利用数学模型计算出飞机运行状态参数，然后将其转变成视觉信息、听觉信息和运动感觉信息传递给受训的飞行员，飞行员根据上述信息犹如在空中一样操纵“飞机”飞行。本文以研制飞行模拟机为研究背景，其研究的主要内容为飞行模拟机自动驾驶系统的控制律设计。自动驾驶控制系统主要阐述飞机的姿态控制与轨迹控制、自动油门速度控制及航空电子设备的交联，实现多功能自动飞行控制。该文经过了大量的理论推导和系统辨识，先是结合自动飞行系统仿真的要求及内容，全面地建立了自动驾驶控制律模型；接着利用频域分析法和根轨迹法完成俯仰控制律模块，横滚控制律模块，自动油门模块，配平模块的控制律设计，并经过MATLAB软件仿真验证，复现真实飞机自动飞行的控制部分功能；最后针对实际飞行情况细致地介绍了飞行方式控制面板(McP)。关键词：飞行模拟机；自动飞行控制系统；自动飞行系统仿真；飞行方式控制面板(MCP)；
    中国民航大学硕士学位论文AbstractTheflightsimulatorisahuman-in-loopreal-timesimulationsystemthatintegratesvisioninformation,hearinginformation,motioninformation．Theairplanerunningstatusparametersoftheflightsimulatorarecalculatedbyusingthemathematicalmodel，whichwillbetransformedintovisioninformation，hearinginformation,motioninformation．Andalltheinformationistransmittedtothepilotswhoaletraining．Thepilotswillfeellikedrivingrealairplaneintheairbasedonthem．Thispaperwasstudyingtheflightsimulatorasthebackground．themajorstudyingcontentWasdesignofauto·-flightcontrolsystemoftheflightsimulatoLTheauto·-flightcontrolsystemexpatiatemainlypitchcontrol，trialcontrolauto-oilspeedguncontrolofairplaneandaviationelectronicdeviceconnection，Comethemalfunctionauto—flightcontrolintotrue．Throu【ghmanytheorytransmitsandsystemdistinguish．Firstcombiningwiththissystemsimulatingrequestandcontent，buildallroundcontrollingthelawmodeloftheautomationdriving．UtilizingMATLABtomakelongitudinalmodule,lateral-directionalmodule,automatictrimmodule，auto-throttlemodule,controldesign,redisplayrealairplanesomeauto·flightfunctions；FinallyaimingatreallyflightstateintroduceddetailMCEKeywords：flightsimulator；automaticflightcontrolsystem；automaticflightsimulation；modecontrolpanel；．Ⅱ．
    中国民航大学学位论文独创性声明本人声明所节交的学何论文是我个人在导师指导r进行的研究I．作及取得的研究成粜。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰’；过的研究成果．也不包含为获得中国民航人学或其它教育机构的学何或证{j而使川过的材料。与我一同1．作的同忠对本研究所做的任何贡献均已往论文中作了明确的说明行表示丁酣意。研究生签名日期中国民航大学学位论文使用授权声明中国【t航人学、中国科学技术信息研究所、国家幽15馆有权保留本人所送交学位论文的复印仆币¨电f文档，可以采川影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内r徉和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被奄阅和借阅．可以公布(包括刊髓)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权中国【t航人学研究生部办理。…娩樾聊躲避一
    中国民航丈学硕士学位论上第一章绪论本章首先提出了本课题研究的任务与意义，析了近年来自动飞行控制系统仿真的发展概况，1．1课题研究的来源和意义然后介绍了飞行模拟机基本原理【l】，分最后总结了本文要做的工作。为了评价飞机性能和为飞行员提供一个接近实际飞行更好的训练环境，国内外许多科研机构都把研制飞行模拟器作为国家科研项目的重点。本课题是为研制飞行员训练模拟机而设置的。其研究的主要内容为飞行训练模拟机自动驾驶控制方法研究。自动驾驶控制系统研究的任务就是按照飞行模拟机的一部分自动飞行系统仿真的要求，将自动驾驶控制系统分为多个模块，完成各个规模块的控制律设计。下图1．1所示为自动飞行仿真系统软件模块及输入、输出信息交链关系图。仿真方式控制-l接口模块I-仿真方式控匍面板输入面板输出J逻辑模块一『仿真仪表I惯性基准系统模块I’’一jEADI)及．EHST飞行系统模块}—+俯仰控制律模块lI飞行仪表系统模块f-J一!操纵负荷系统…一。一……II横滚控制律模块I7l模块I无线电导航系统模块卜—■If操纵负荷系统模块I'l自动油门模块I—I飞行管理计算lI飞行管理计算机模块卜_—+I—I机模块I比较器高度报警模块1发动机系统模块}—+0I配平模块1-l发动机模块I0偏航阻尼模块图卜1自动飞行实时仿真系统信息交链框图
    中田民航大学顽上学位论文中国民航大学地面特种设备研究基地的飞行模拟机研究目前已经成型和在研的部分有：操纵负荷系统的数据采集，反馈，FMCS；视景系统的电子地图和电子地貌部分，包括两个机场的实景模拟；六自由度平台；六自由度平台与舵机的联动：仪表系统的前面板与顶面板部分：导航系统的航路设计：气象，GPS等。但自动飞行系统仿真部分还是空白，所以针对这一情况，本文研究的主要内容为飞行训练模拟机自动驾驶控制方法研究。为飞行模拟机自动飞行仿真系统的顺利进行搭建～个基础平台1．2飞行模拟机概述飞行模拟机是飞行实时仿真系统，是典型的人在回路仿真系统。飞行模拟机复现空中飞行环境，用于对飞行员进行起飞、着陆、爬升、转弯、机动飞行等训练，也可用于对飞机飞行性能、飞机操纵品质、机载系统性能进行分析研究。飞行模拟机由仿真计算机、模拟座舱、运动系统、视景系统、音响系统、操纵负荷系统，仿真总控台组成，如图1．2所示。仿真控制台仿真计算机1．飞行动力学数学模型2系统模型3仿真环境模型4．外干扰模型5其他模型飞行物理效应装置l视景系统2．运动平台3．操纵负荷系统4音响系统5其他系统模拟飞行员图卜2飞行模拟机基本工作原理框图飞行器飞行动力学数学模型、系统模型、仿真环境模型、外干扰模型等由仿真计算机解算，通过运动系统、视景系统、音响系统形成给飞行员多维感知信息仿真环境，飞行员根据上述系统提供的仿真环境，犹如在空中一样操纵“飞机”飞行【”。飞机飞行模拟机的主要功能有：(1)评定飞机飞行动力学特性；(2)飞机飞行操纵性和稳定性研究；(3)飞行控制系统控制律研究：(4)评定飞机操纵系统；(5)评定座舱布局和仪表显示：(6)评定航空综合电子系统的结构、硬件和软件；(7)机载武器系统的评定；
    中瑁民航大学硕士学位论文(8)对空攻击和对地攻击；(9)空战和武器群仿真；(10)飞行综合控制管理系统研究；(11)应急和故障条件下的操作特性研究；(12)飞行训练。飞行实时仿真系统主要应用于工程研究。其中飞行模拟机(人在回路实时仿真系统)除应用于工程研究外，还应用于人员的培训。飞行模拟机分为工程型飞行模拟机、研究用飞行模拟机和训练型飞行模拟机。工程型飞行模拟机主要用于新机及其系统研制中的辅助设计和演示、验证，本质上是一个随着新机研制过程进展，逐渐由简到繁形成的飞机全尺寸“铁鸟”结构形式的飞行模拟系统。研究用飞行模拟机则是一种综合性的飞行模拟试验研究系统，被用于新机研制和航空发展中的新概念、新理论、新技术与新方法研究以及系统故障和飞行事故的复现与分析等。大量的飞行品质研究成果也是由这类飞行模拟机产生的，同时，它还兼有飞行训练模拟机的功能。可以说，研究用飞行模拟机的功能和技术先进性代表着诸飞行模拟机的最高水平。一台完善的研究用飞行模拟机就是一架在地面“飞行”的研究飞机I¨l。训练型飞行模拟机是专门用于飞行员和其他空勤人员模拟飞行训练和专业技能模拟训练的练习器。根据环境相似、动力学相似、信息相似等原理设计和制造的这种飞行模拟机，可以充分地把飞行员在空中模拟真实飞机时所看到的、听到的、嗅到的、触到的飞行运动、飞机姿态、环境变化及人体生理学反应等功能现象逼真地模拟出来，从而获得令人满意的模拟飞行训练效果161。训练型飞行模拟机具有节能、经济、安全、不受场地和气象条件的限制、缩短训练周期、提高训练效率等突出优点。训练飞行模拟机按用途和复杂程度，一般可分为三类：1．全任务飞行模拟机(FFS—FullFlightSimulator)它由模拟座舱、视景系统、运动系统等组成，可覆盖包括起飞、着陆在内的90％以上飞行科目的训练，是目前最为先进、完整的训练工具。全任务飞行模拟机分为A、B、C、D四个等级，其中D级性能最高，训练科目覆盖面最大。2．飞行训练器(FTI卜—-FlightTrainingDevice)飞行训练器一般没有运动系统和视景系统，但几乎包括飞机上所有系统的仿真，进行某些系统的专门训练和飞行训练。飞行训练器分为l～7级。3．以计算机为基础的训练(CBT----Computer-BasedTraining)最初用于飞行理论教学，是先进的教学手段之一。实质上是具有图形图像、文本显示、语音的多媒体计算机系统。随着技术和需求的发展，将从目前的静态CBT向动态CBT发展。传统的飞机飞行模拟是在地面实验室条件下完成的，被称为地面飞行模拟。地面飞行模拟器是地面飞行模拟设备的总称，现在工程型和训练型飞行模拟机上还有非常广泛的应用。本文所研究的课题就是为研制训练型飞行模拟机而设置的。为了扩大飞行模拟
    中国民航大学硕士学位论文领域、提高模拟有效性和增强模拟逼真度及飞行动感，在地面模拟技术的基础上，20世纪60年代初出现了在实际飞机上实行的空中飞行模拟。随着飞行模拟技术和飞行试验研究的发展，近年来出现了空地综合飞行模拟系统1”。1．3自动驾驶控制系统控制方法的发展概况自动驾驶控制系统已有一百多年的研制历史”1，60年代以前的自动驾驶仪均以舵机回路的稳定系统为主，配合较少的输入指令(例如转弯、升降、高度保持等)去操纵飞机。后来发展了配合无线电导航，惯性导航的倾向指令输入，增加了外回路控制部分。实现自动进近和自动着陆的要求进一步扩大了外回路控制功能，和自动油门结合后形成了较为完整的自动飞行控制系统(AFcS)。这时AFCS的主要功能不再是角姿态的稳定和控制，而是航迹选择和保持，具有俯仰／速度选择和保持的自动系统了。这时方式控制面板成为不可缺省的部件，供方式选择和指令输入，工作方式的记忆和指示。可以说自动飞行控制系统是在60年代中逐步发展起来的，70年代是模拟式AFCS盛行时代，80年代开始了AFCS从模拟式向数字式过渡。数字化的^FCS己和电子飞行仪表系统(EFIS)结合起来，飞行方式显示在EFIS画面的显著位置(屏幕上方或右上／左上两角)上，以提高驾驶员的觉察性。数字化的AFCS开始和飞行管理计算机系统(FMCS)结合起来，某些外回路的指令生成可由FMCS完成。数字化^FCS提供了信号处理和综合上的方便，复杂控制律的软件实现，余度技术、容错和重构技术可相继采用，使^FCS更成熟起来，在速度控制相结合下已经成为能够实施的导航的飞行自动化系统了。数字化AFCS和计算机技术的高速发展也为电传飞行控制(FBW)创造了条件。事实上，波音737飞机_k■vcs的驾驶盘操纵(Cws)方式也是一种电传操纵。电传操纵又是从主动增稳控制技术发展起来的。如果不从余度和备份手段方面去考虑，当今的自动飞行控制系统、电传操纵或电传飞行控制系统之间很难找出其明确的界限在哪里。80年代是数字式AFCS盛行时代，开始从模拟电子系统转换成数字电子系统。得力于先进的计算机技术和余度技术，电传飞行控制系统(FBW)开始发展起来，90年代FBW扩大应用，通过广泛的争议和使用实践，使得人们对FBW的可靠性减少怀疑。继1988年空中客车公司开始在A一320飞机上采用FBW后，1995年波音777飞机上也采用了FBW。FBW逐渐得到世界上普遍的认可和接受，成为^FCS和FBW两分天下的局面。目前光传飞行控制系统(FBL)正在实验阶段，光传控制系统(cBL)己在某些辅助操纵系统和发动机控制系统上得到应用，2l世纪初CBL／FBL将得到发展。目前在国内新型教练机L_15飞行控制系统采用三轴四冗余数字式电传操纵系统，对飞机的平尾、副翼、方向舵和前缘襟翼进行控制。电传操纵系统具有二余度模拟式备份，具有控制增稳、极限状态限制(限制过载／迎角／滚转速率)、自动驾驶(保持姿态／航向／气压高度、自动导引、自动改平)、防止进入尾旋、飞机操稳性能重新编程、
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