当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

自动飞行控制系统


航空自动化学院

自动飞行控制系统

1

航空自动化学院

绪 论
第一节 飞行器的自动飞行 一、问题的提出 1、飞机的控制过程
人工驾 驶或自 动驾驶
舵面 偏转 角
? 升降舵、 ? ? ? ? 副翼、 ? ? ? ? 方向舵 ?
姿态反馈

r />轨迹反馈

飞机
力矩

轨迹

角运动

姿态



飞机 线运动

2

航空自动化学院

第一节 飞行器的自动飞行

2、人工操纵过程

陀螺地平 仪

眼睛

大脑

胳膊 手

驾驶杆

升降舵

驾驶员

飞机

3

航空自动化学院

第一节 飞行器的自动飞行

3、自动驾驶过程
自动驾驶仪

敏感元件

放大计算 装置

执行机构

升降舵

4

飞机

航空自动化学院

第一节 飞行器的自动飞行
4、飞行控制: ? 人工操纵 ? 自动控制:自动控制是指在没有人直接参与的条件下由控 制系统自动控制飞行器(这里主要是指飞机和导弹)的飞 行。这种控制系统成为飞行自动控制系统。 ? 自动控制的基本原理就是自动控制理论中最重要、最本质 的“反馈控制”原理。 5、自动飞行控制系统的作用 ? 对飞行器进行稳定 ? 引导/制导飞行器:把飞行器按照一定的方式引导或制导到 一定的位置 ? 改善飞行器的静、动态性能

5

航空自动化学院

第一节 飞行器的自动飞行
二、控制面 1、控制飞行器的目的是改变飞行器的姿态或空间位置,并在受干扰情况 下保持飞行器的姿态或位置。因而必须对飞行器施加力和(或)力矩,飞 行器则按牛顿力学定律产生运动。 2、作用于飞行器而与控制有关的力和力矩主要是偏转控制面(即操纵面) 产生的空气动力和力矩。一般飞机有三个控制面:升降舵、方向舵和 副翼。 3、由于航空技术的发展,仅靠改善飞机的气动布局和发动机的性能难以 达到对飞机性能的日益提高的要求。60年代飞机设计的新思想产生了, 即在设计飞机的开始就考虑自动控制系统的作用。基于这种设计思想 的飞机称为随控布局飞行器(Control Configured Vehicle简称CCV)。 这种飞机有更多的控制面,这些控制面协同偏转可完成一般飞机难以 实现的飞行任务,达到较高的飞行性能。当然控制面增多将使飞机自 动控制系统的设计更困难。

6

航空自动化学院

第一节 飞行器的自动飞行

7

航空自动化学院

第二节 舵回路、稳定回路和控制回路

8

航空自动化学院

第二节 舵回路、稳定回路和控制回路
?

?

?

舵回路:由舵机加上反馈所形成的随动系统;其作 用是改善舵机工作性能。 稳定回路:由舵回路加上飞机姿态反馈元件、放大 计算装置组成飞机姿态自动驾驶仪,并与飞机形成 的回路;其作用是稳定与控制飞机姿态。 控制(制导)回路:由稳定回路加上飞机轨迹反馈 元件、放大计算装置组成飞机轨迹自动驾驶仪,并 与飞机形成的回路;其作用是稳定与控制飞机轨迹。

9

航空自动化学院

第一章 飞行原理
?

?

飞机控制系统的核心问题是研究由控制系统和飞行 器组成的闭合回路的静、动态性能,为此必须建立 控制系统和飞行器的数学模型,其形式可以是微分 方程、传递函数或状态空间表达式等。 飞行原理是研究飞行器运动规律的学科,属于应用 力学范畴。本章主要讨论在大气中飞行的有固定翼 飞机的运动特性,并简要介绍有关空气动力学的基 本知识。

10

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识

一、流场 (一)流场的描述 ? 可流动的介质称为流体,流体所占据的空间为流场。描述流场的参数主要有: 流动速度、加速度以及流体状态参数(密度、压强、温度等)。 ? 空气并非连续介质,因为空气分子间有自由行程。但这微小的自由行程与飞行 器的几何尺寸比较起来,完全可示为无限小,而且我们所研究的气流速度、加 速度、密度、压强、温度等物理量,是统计意义上的气体分子群参数,而不是 单个分子行为的描述。因此,当我们说流场中某点的流速和状态参数时,是指 以该点为中心的一个很小邻域中的分子群,称为流体微团。 (二)流线 ? 流场中存在一类曲线,在某个瞬间,曲线上每点的切线与当地的流速方向一致, 这类曲线称为流线。因此,流体微团不会穿过流线,流线也不会相交。 (三)流管 ? 由于流体微团不会穿过流线,我们可以想象许多条流线围成管状,管内的流体 只在管内流动而不流出,管外的流体也不会流入,此管称为流管。

11

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识

II I

12

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识
(四)定常流与非定常流 ? 如果流场中各点的速度、加速度以及状态参数等只与几何 位置有关而不随时间变化称为定常流。如果流场中各点的 速度、加速度以及状态参数等不仅与几何位置有关而且随 时间变化,则称为非定常流。空气动力学研究的大部分问 题是定常流问题。 (五)流动的相对性 ? 依据运动的相对性原理,不论是物体静止、空气运动,还 是物体运动、空气静止,只要物体与空气有同一速度的相 对运动,流场中各点的物理量以及作用于物体的空气动力 就是完全相同的。因此,在讨论物体运动、空气静止情况 下的流场中各点的物理量以及作用于物体的空气动力问题 就可以等价于讨论物体静止、空气运动情况下的流场中各 13 点的物理量以及作用于物体的空气动力问题。

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识
? ? ?

? ? ?

二、连续方程 m1和 V , A1 , A2 , m2 表示截面Ⅰ和Ⅱ上的 ?1 , ?2 , 分别以 V1 , 2 气流速度,密度,截面积和流量。 由于空气流动是连续的,处处没有间隙,且我们讨论的是 定常流动,即流场中均无随时间的分子堆积,因而单位时 间内,流入截面积Ⅰ的空气质量必等于流出截面积Ⅱ的空 气质量。即: m1 ? ?1V1 A1 ? m2 ? ?2V2 A2 由于截面Ⅰ和Ⅱ是任意取得,上式可写成: ?VA ? m (常数) 这就是连续方程,是质量守恒原理在流体力学中的应用。

14

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识
?

也可以写成微分形式:
d?

?
?

?

dV dA ? ?0 V A

?

?

15

在飞行速度不大的情况下,绕飞行器流动的流场各 点流速差异不大,温度、压强变化很小,因而密度 变化也很小,可以认为空气是不可压缩的流体,? =常数。于是连续方程可以简化为: VA ? 常数 此时表明,流管截面积大的地方流速小,流管截面 积小的地方流速大。

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识
三、伯努利方程(能量守恒定律) ? 在低速、不可压缩、定常流中取一流管,密度为常数,任 意截取两个相邻的截面Ⅰ和Ⅱ ,满足:
p?
? ? ?

1 ?V 2 ? C (常数 ) 2

此式称为伯努利方程,表示静压与动压之和沿流管不变。 动压的物理意义是:大气分子做有规则运动而具有对外做 功的能量; 静压的物理意义是:大气分子做杂乱无章运动而具有对外 做功的能量。

16

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识
?

上式可写为: 1 p ? ?V 2 ? P0 2

? ?

p0表示当动压为零时的静压大小。
这表明,在同一流管中,流速大的地方静压小,流 速小的地方静压大,静压最大处的流速为零,即为 总压。

17

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识
四、马赫数 ? 马赫数定义为气流速度 (V )和当地音速 ( a )之比:
M ?V a
?

由空气动力学可知,空气中的音速:
a ? 20 T T 是空气的绝对温度。

? ?

18

流场中各点的流速不同则各点的温度不同,因而各 点的音速也就不同。在定常流中,音速和马赫数都 是几何位置的函数。

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识
? ?

五、临界马赫数 M cr 当小于音速的气流经过机翼时,翼面上的各点流速 是不同的,有的地方的流速比远前方的小,有的地 方比远前方的大。若迎面气流速度逐渐增大,则翼 面上流速的最大值也会增大,该处的温度则要降低, 因而音速也降低。当迎面气流的速度达到某一值时, 翼面上最大速度处的流速等于当地音速,此时我们 把远前方的迎面气流速度 V? 与远前方的空气音速 之a? 比 ,定义为该机的临界马赫数 M cr。

19

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识

Vmax ? a

V? a?

20

航空自动化学院

第二节 空气动力学的基本知识
飞机飞行速度的范围划分如下: ? 飞行马赫数 M 为飞行速度与远前方空气音速之比, M ? 0.5 时为低速飞行; 0.5 ? M ? M cr 为亚音速飞行; M cr ? M ? 1.5 为跨音速飞行; 1.5 ? M ? 5 为超音速 飞行;M ? 5 为高超音速飞行。
?

21

航空自动化学院

第三节 飞行器空间运动的表示、飞机操纵 机构
一、坐标系 ? 为了确切描述飞机的运动状态,必须选定适当的坐 标系。例如,飞机相对于地面位置的确定须采用地 面坐标系;飞机的转动运动的描述可用机体轴系表 示;飞机轨迹运动的描述可采用速度轴系。 (一)地面坐标系(地轴系) Sg ? og xg yg zg (二)机体坐标系(体轴系)Sb ? oxyz (三)速度坐标系(速度轴系)Sa ? oxa ya za
22

航空自动化学院

第三节 飞行器空间运动的表示、飞机操纵 机构

y

o

xg

?

?

?

yg

z

?

og

23

zg

航空自动化学院

第三节 飞行器空间运动的表示、飞机操纵 机构
二、飞机的运动参数 (一)飞机的姿态角 ? 三个姿态角表示机体轴系与地面轴系的关系。 ? 1、俯仰角 机体轴与地平面间的夹角。以抬头为 正。 ? 2、偏航角 机体轴在地面上的投影与地轴间的夹 角。以机头右偏航为正。 ? 3、滚转角 又称为倾斜角,指机体轴与包含机体 轴的铅垂面的夹角。飞机向右倾斜为时为正。 24

航空自动化学院

第三节 飞行器空间运动的表示、飞机操纵 机构
(二)飞机航迹角 ? 三个航迹角表示速度坐标系与地面坐标系的关系。 ? 1、航迹倾斜角 飞行速度矢量与地平面间的夹角。 以飞机向上飞行时为正。 ? 2、航迹方位角 飞行速度矢量在地平面上的投影 与 og xg 间的夹角。以速度在地面的投影在 og xg 之右 时为正。 ? 3、航迹滚转角 速度轴与包含速度轴的铅垂面的 夹角。以飞机的右倾斜为正。 25

航空自动化学院

第三节 飞行器空间运动的表示、飞机操纵 机构
(三)气流角 ? 两个气流角表示速度向量与机体轴系的关系。 ? 1、迎角 速度向量在飞机纵向对称面上的投影与 机体轴的夹角。以速度向量的投影在机体轴之下为 正。 ? 2、侧滑角 速度向量与飞机纵向对称面的夹角。 以速度向量处于对称面之右为正。
26

航空自动化学院

第三节 飞行器空间运动的表示、飞机操纵 机构

o

?
y

?

x

27

z

航空自动化学院

第三节 飞行器空间运动的表示、飞机操纵 机构
三、飞行器运动的自由度 ? 把飞机视为刚体,飞机在空间的运动有六个自由度,即重 心的三个移动自由度和绕重心的三个转动自由度。对飞机 来说,重心的三个移动自由度是速度的递减运动、上下升 降运动和左右侧移运动。三个转动自由度是俯仰角运动、 偏航角运动和滚转角运动。 ? 1、纵向运动——包括速度的增减、重心的升降和绕 oy轴 的俯仰角运动。 ? 2、横侧向运动——简称侧向运动,包括重心的侧向运动, 绕 oz 的偏航角运动和绕 ox轴的滚转角运动。

28

航空自动化学院

第三节 飞行器空间运动的表示、飞机操纵 机构
?

四、飞机的操纵机构
L

x


Wa
Wr

We
驾驶杆

x

脚蹬

o
z
N
M y

脚蹬


? ?a

y

29

??
??

z

航空自动化学院

第三节 飞行器空间运动的表示、飞机操纵 机构
?

?

?

30

升降舵偏转角用 ?e 表示,规定升降舵后缘下偏为 正, ?e 的正向偏转产生的俯仰力矩 M 为负值,即 低头力矩; 副翼偏转角用 ? a 表示,规定右副翼后缘下偏(左 副翼后缘随同上偏)为正, ? a 正向偏转产生的滚 转力矩 L 为负值,即左滚转力矩; 方向舵偏转角用 ? r 表示,规定方向舵后缘向左偏 转为正, ? r 正向偏转产生的偏航力矩 N 为负值, 即左偏航力矩。

航空自动化学院

第三节 飞行器空间运动的表示、飞机操纵 机构
?

?
? ? ?

驾驶员通过驾驶杆、脚蹬和操纵杆系操纵舵面。规 定: 驾驶杆前推位移 We 为正(此时 ?e 亦为正); 左倾位移 Wa 为正(此时 ? a 亦为正); 左脚蹬向前位移 Wr 为正(此时 ? r 亦为正)。 油门杆前推位移 ? T 为正,对应于加大油门从而加 大发动机推力;反之为负,即收油门,减小发动机 推力。

31

航空自动化学院

第四节 关于稳定性和操纵性的概念
? ?

?

32

飞机的飞行运动可分为基准运动和扰动运动。 基准运动是指各运动参数完全按预定的规律变化。 扰动运动是指由于受到外干扰而偏离基准运动的运动。外 干扰可能来自大气的扰动,发动机推力的改变,或驾驶员 的偶然操纵等。在外干扰作用停止之后,至少在某一段时 间内,飞机不按基准运动的规律运动而是按扰动运动的规 律运动。经过一些时间,若飞机可能从扰动运动恢复到基 准运动,则称基准运动是稳定的。若扰动运动越来越离开 基准运动,则称基准运动是不稳定的。若扰动运动既不恢 复也不远离基准运动,则称基准运动是中立稳定的。这就 是飞机的稳定性。

航空自动化学院

第四节 关于稳定性和操纵性的概念
? ?

?

33

?

飞机的稳定性分为静稳定性和动稳定性。 静稳定性是指在外干扰停止作用的最初瞬间,鉴别飞机的运动参数变 化的趋势。在外干扰停止作用的最初瞬间,如果靠飞机本身的气动特 性(驾驶员不偏转舵面)使飞机的运动参数有回到基准运动的趋势, 则说明飞机具有静稳定性;在外干扰停止作用的最初瞬间,如果靠飞 机本身的气动特性(驾驶员不偏转舵面)使飞机的运动参数有远离基 准运动的趋势,则说明飞机是静不稳定的;在外干扰停止作用的最初 瞬间,如果靠飞机本身的气动特性(驾驶员不偏转舵面)使飞机的运 动参数既没有回到基准运动的趋势,也没有远离基准运动的趋势,则 说明飞机是静中立稳定的。 动稳定性则是指飞机在外干扰停止作用以后,鉴别飞机的运动参数的 变化过程和最终变化结果。如果这个过程是收敛的,最终的结果是回 到原基准运动,则飞机是动稳定的;如果这个过程是发散的,最终的 结果是不能回到原基准运动,则飞机是动不稳定的;如果这个过程既 不是收敛的,也不是发散的,则飞机是动中立稳定的。 静稳定是动稳定的前提。飞机是动稳定的,则飞机是稳定的。

航空自动化学院

第四节 关于稳定性和操纵性的概念
? ?

?

?

34

操纵性问题与稳定性问题相互区别又相互关联。 操纵性问题研究的是为实现某一飞行状态应该怎样操纵飞 机,以及易于操纵的条件,操纵力是否适度,飞机对操纵 响应的快慢等。 对于一架飞机来说,它的操纵性与稳定性是相互矛盾的。 即:操纵性好,则稳定性坏;反之,稳定性好,则操纵性 坏。 飞机稳定性和操纵稳定性的好坏,完全取决于飞机的气动 特性和结构参数(如重量大小、转动惯量等)。因此,我 们只有从研究作用在飞机上的外力下手,建立飞机的运动 方程式,才能对稳定性和操纵性问题做出定量分析。

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
一、升力 ? (一)机翼的几何形状和几何参数 1、翼型:即机翼翼剖面形状。表示翼型主要几何特 征的参数有: ? 翼弦长 c ——翼型前缘点至后缘点的距离; t ? 相对厚度 t ? ? 100% t ——最大厚度;
?

c

35

f f ? ? 100% ? 相对弯度 c

f ——中弧线最高点至翼

弦线距离

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
2、机翼的平面形状:表示机翼平面形状特征的主要 参数有: 2 ? 展弦比 A=b / Sw b——机翼展长, Sw ——机翼面积 ? 梯形比 ? ? ct / cr c r ——机翼弦长, ct——翼尖弦 长 ? 前缘后掠角 ? 0 ? ?1/ 4 1/4弦线点后掠角
36

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
3、平均空气动力弦长:
2 cA ? Sw
?

?

b/2

0

c 2 ( y)dy

c( y ) 表示沿展向坐标 y 处的弦长。 式中:

37

航空自动化学院

飞机的动力学描述

38

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
(二)机翼的升力 1、亚音速机翼产生升力的原理:

伯努力方程 连续方程 气流流过机翼表面,受机翼形状影响: 机翼上表面:流管变细、流速变快、压强减小 机翼下表面:流管变粗、流速变慢、压强增大 形成压力差,产生升力

39

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩

40

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
作用在翼面上的压力用压力系数表示:
p ? p? p? 1 ??V?2 2

上表面:由于压强减小,p 值为负,表示该点压强小 于远方气流的压强,称为吸力; 下表面:由于压强增大, p值为正,表示该点压强大 于远方气流的压强,称为压力。
41

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
2、迎角对机翼升力的影响: ? 随着飞机迎角的增大,会使上表面的曲度进一步增大,流 速进一步增快,压力进一步减小;相反,下表面的曲度进 一步减小,流速进一步减小,压力进一步增大,于是上下 表面压力差也增大,升力也就增大。 ? 升力 Lw 、升力系数 C Lw及与迎角 ? 的变化关系:

Lw ? CLw QSw
42

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
C Lw

CLw max

?0
0

? cr
w

?

?

43

?

1)在小迎角范围内:迎角与升力(升力系数)成正比关系, ?CL ? ? ?0 aw ? = ?( aw CL ); 常数, ?? 2)迎角过大,升力减小 3)迎角为零时,升力大于零;升力为零时,迎角小于零。
w

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
(三)机身的升力 ? 机身一般接近于圆柱体,理论和实验都表面这类形 状在迎角不大的情况下是没有升力的。只有大迎角 时,才有些升力。机身升力为:
CLb ? ? b?
1 2 Lb ? CLb ??V? Sb 2

44

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
(四)平尾的升力 1、下洗影响
? ? tg ?1
Wt V?

? ? ? a?

2、平尾的实际迎角 ?t ? ? ? ? ? ? ?1? ? a ?
45

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
3、平尾的升力
Lt ? CLt QSt
CLt ? ?CLt ?C ? t ? Lt ? e ?? ?? e

(五)整个飞机的升力 飞机的升力为各部分升力之和:
L ? Lw ? Lb ? Lt

46

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
用无因次的升力系数表示:
L ? CLQSw ? Q CLw Sw ? CLb Sb ? CLt St
Sb St CL ? CLw ? CLb ? CLt Sw Sw

?

?

CL ? CL0 ? CLa? ? CL? ? e
e

CL0 ? ??w?0
CL? ? ? w ? ?b
?CLt St ?? e Sw

Sb S ? ?1 ? ?? ??t t Sw Sw

?t ? ?CLt / ??t

47

CL? ?
e

航空自动化学院

第五节 纵向气动力和气动力矩
二、阻力 ? 气动力沿平行于气流方向的分力 零升阻力:与升力无关 升致阻力:由于升力而引起的阻力 零升阻力:分为摩擦阻力、压差阻力和零升波阻。 升致阻力:分为诱导阻力和升致波阻。

48

航空自动化学院

(一)零升阻力
? ?

? ?

49

1、附面层与摩擦阻力及压差阻力 空气是有粘性的。气流沿物体表面流动时,紧贴物面处的 流速 V 为零,且沿物面的法向逐渐增大。从 V ? 0 到 V 为 自由流速的99%之间的流层(有较大速度梯度的空气层) 定义为附面层。 附面层很薄,例如流过机翼表面1m处的附面层厚度只有 7~8mm,2m处的厚度有十几毫米。 附面层有两种类型,一种是气流各层之间互不混杂,好像 一层在另一层上滑动,称为层流附面层。另一种是附面层 内各层之间有毫无次序的流体微团渗合流动,致使各层流 体乱动起来,称为紊流附面层。紊流附面层的摩擦阻力大 于层流附面层。

航空自动化学院

? ?

摩擦阻力:附面层内由于大气粘性而生产的阻力。 压差阻力:机体部分前后压力差形成的阻力。

50

航空自动化学院

? ?

2、零升波阻 飞行器作超音速飞行时,机身头部、机翼和尾翼的 前缘都会出现激波。气流经激波突跃后压力升高, 升高的压力阻止飞机前进,故称为波阻。升力为零 时这种波阻也存在,称为零升波阻。

51

航空自动化学院

(二)升致阻力
?

由于存在升力而增加的阻力统称为升致阻力。亚音 速飞行时,升致阻力主要是诱导阻力。

52

航空自动化学院

(三)整个飞行器的阻力、升阻极曲线
?

综上所述,飞机的阻力系数分为两部分,可写为:

C 式中: CD ——零升阻力系数; CDi ——升致阻力系数。
0
L

CD ? CD0 ? CDi

M ? 0.5 1.0 0.6 0.7

0.8
0.6
0.4
0.2
3.0
2.0

0.8 0.9
1.0 1.3 1.1

53
0.04 0.08 0.12

CD

航空自动化学院

三、纵向力矩(俯仰力矩)
?

? ?

纵向力矩是指作用于飞机的外力产生的绕机体轴 oy 的力矩。包括气动力矩和发动机推力向量因不通过 飞机重心而产生的力矩,亦称俯仰力矩。 发动机推力产生的俯仰力矩:M T ? T ? ZT

c.g.

o
zT

54

T

航空自动化学院

(一)定常直线飞行的俯仰力矩
1、机翼产生的俯仰力矩 (1)二维翼的气动力矩 ①、对机翼前缘点取矩
? ?Cm ? Cm ? Cm0 ? ? ? (? ? ? 0 ) ? ?? ?0
Mw

? ?Cm ? ? ? 式中: 对前缘点的 ? ?? ?—— 0

力矩导数(注脚“0”表示对 55 前缘点)。

航空自动化学院

结论: 1)、当 CL ? 0 时( ? ? ?0 ),力矩系数用 Cm 表示, Cm 为负值。 称为零升力矩系数。 2)、? 增加,Cm 更负。 3)、在 ? ? 10? 的范围内,Cm 与 ? 亦呈线性关系 。
0
0

56

航空自动化学院

②、对焦点取矩
利用 CL ~ ? 曲线和 Cm ~ ? 曲线都有线性段的特 点,可找出另一归算点。当 ? 变化时,该点只 有 CL 变而力矩大小不变。 ? 将作用于翼型前缘点的升力和力矩在翼弦线上某点 F进行归算。F点到前缘点的 距离是 X F 。
?

57

航空自动化学院

?

对F点的力矩系数可写为 :
CmF ? CL XF ? Cm c

?

令 X F ? X F / c,有:
CmF ? ?CL ? ?C ? (? ? ? 0 ) X F ? Cm0 ? ? m ? (? ? ? 0 ) ?? ? ?? ?0

?

欲使 CmF 不随
?CmF ?0 ??

? 而变,应满足:

航空自动化学院

? ?C ? ? ?C ? X F ? ?? m ? /? L ? ? ?? ?0 ? ?? ?

? ?

只有 X F 才是常数,F点 称为焦点。 当 ? ? 10?时,不论迎角为何值,对F点的力矩系数 都是 Cm 。由于对焦点的力矩是常值,当迎角增加 时,其升力增量就作用在焦点上,故焦点又可解释 成升力增量的作用点。
0

? ?C ? ? ?Cm ? ? ?与 ? L ? 都是常数时, ? ?? ?0 ? ?? ?

航空自动化学院

③、对飞机重心取矩
? ?

?
? ?

?

设飞机重心与机翼前缘点的距离为 :X cg 令 : X cg ? X cg / cA 则对重心的力矩系数为 :Cmw ? Cm0 w ? ( X cg ? X Fw )CLw 俯仰力矩的稳定与否,取决于重心与焦点的前后位置关系 若重心在焦点之前,则 X cg ? X Fw 。当 ? 增大时,升力增 量 ? L 作用在焦点上,对重心产生低头力矩增量( ?M 为 负),其方向与 ? 增大方向相反,是稳定作用。 若重心在焦点之后,则 X cg ? X Fw 。当 ? 增大时,产生抬 头的力矩增量( ?M 为正),这将促使 更增大,是不 稳定作用。

?

航空自动化学院

?Cmw ??
? ?

? ( X cg ? X Fw )
w

?CLw ??

当 X cg ? X F 时,才使 ?Cmw / ?? 为负,表示稳定。 若 X cg ? X F 时,则 ?Cmw / ??为正,表示不稳定。
w

航空自动化学院

2、机身产生的俯仰力矩
Cmw?b ? Cm0 w ? ?Cm0b ? ? X c ?g ? ? X Fw ? ? X Fb ? CLw ? ?
? Cm0 w?b ? X c ?g ? ? X Fw?b CLw
?

?

?

?

?

因机身起了不稳定作用,故:
X Fw?b ? X Fw

航空自动化学院

3、水平尾翼的俯仰力矩
? ?

平尾对重心的俯仰力矩为:
M t ? ? Lt lt
? ?CLt ?CLt ? 1 2 Lt ? ?V St ??1 ? ?? ? ?? ?e ? 2 ?? ?? e ? ?
1 Cmt ? M t / ?V 2 S wc A 2
Lt lt ?? ?V 2 SwcA

航空自动化学院

航空自动化学院

? ?CLt ?CLt ? St lt ? ? ??1 ? ? ? ? ?? ?e ? ?? ?? e ? Sw cA ?

?Cmt ?Cmt Cmt ? ?? ?e ?? ?? e

?CLt ?CLt ? ?S t l t ?1 ? ?? ? ? ? S t lt ?e ?? ?? e
? X Ft ?CLt ?CLw ? ? S t l t ?1 ? ? ? ? / ?? ??

航空自动化学院

Cm ? Cm0 w ?b?t

?Cmt ? ? e ? ? X c ?g ? ? X Fw?b ? ? X Ft ? CLw ? ? ?? e

?

?

? ?Cm ? Cm ? Cm0 ? ? ? ? e ? X c ?g ? ? X F CL ? ?? e ?

?

?

Cm ? Cm0 ? Cm?e ?e ? Cm? ?? ? ?0 ?

? ?Cm ? ?CL ? ? ?? ? ? 0 ? ? Cm0 ? ? ? e ? ?X cg ? X F ? ? ?? ? ?? e ?

航空自动化学院

(二)飞机纵向的平衡与操纵
? ?

1、飞机纵向的平衡 飞机作等速直线平飞,为了维持这种飞行状态,应 满足 L ? G (升力=重力)、 T ? D (推力=阻力) 以及对重心的力矩 M ? 0 。

航空自动化学院

2、飞机纵向平衡的建立
?

要建立飞机的纵向平衡,首先根据飞机的重力,选 择合适的迎角 ? ,使之具有一定数值的 CL ,以 使 L ? G 。为使 M ? 0(即 Cm ? 0 ),必须偏转 相应的升降舵偏角。根据飞机的阻力大小,选择合 适的油门位置,以使 T ? D 。满足力和力矩的平 衡条件之后,剩下的问题就是能否维持这种平衡。

航空自动化学院

3、飞机纵向平衡的稳定与操纵
?

1)、飞机纵向平衡的稳定

?

2)、飞机纵向平衡的操纵

航空自动化学院

(三)飞机绕轴转动产生的俯仰力矩

航空自动化学院

(四)下洗时差阻尼力矩
?

?

下洗时差:由于气流从机翼流到平尾处需要一定的 时间 ?t ,平尾处受到的下洗是在时间 ?t 前机翼 升力所产生的,称为下洗时差。 当 ? ? 0 时,平尾实际的下洗角小于按定态假设的 下洗角,下洗时差引起的力矩阻止 ? 的继续增大 ,故称为下洗时差阻尼力矩。
?

航空自动化学院

(五)升降舵偏转速度 ? 所产生的力矩
?

?

当升降舵的偏转速率 ? ? 0 时,对重心也会产生附 加力矩。

?

航空自动化学院

(六)俯仰力矩总和表达式
Cm ? Cm? ?0 ? ? ? ? ? ? ? c ? c e ? qcA ? A ? A ? ? Cm? ? ? Cm? e ? e ? Cmq ? ? Cm ? ? ? ? Cm ? ? ? ? ? 2V ? ? e ? 2V ? 2V ? ? ? ? ?

航空自动化学院

第六节 侧向气动力及气动力矩
? ?

一、侧力 Y 飞机总气动力沿机体轴系 oy 轴的分量称为侧力 Y 。侧力可以用侧力系数 CY 表示:
1 Y ? CY ?V 2 S w 2

?

由侧滑角 ? ,方向舵偏转角 ? r ,以及绕 ox轴的滚 转角速度 p ,绕 oz轴的偏航角速度 r 和飞机倾斜 角 ? 等引起的侧力。

航空自动化学院

(一)侧滑角 ? 引起的侧力
1 Y ( ? ) ? ?V 2 S wCY? ? 2

(二)偏转方向舵 ? r 引起的侧力
1 Y (? t ) ? ?V 2 S wCY? r ? r 2

(三)滚转角速度 p 引起的侧力
Y ( p) ? 1 ?V 2 S wCYp p 2

Y (r ) ?

1 ?V 2 S wCYr r 2

航空自动化学院

(四)偏航角速度 r 引起的侧力
1 Y (r ) ? ?V 2 S wCYr r 2

(五)滚转角 ? 引起的侧力
Y (? ) ? 1 ?V 2 S wCY? ? 2

航空自动化学院

二、滚转力矩 L 与偏航力矩 N
绕 ox轴的滚转力矩 L 包括:侧滑角 ? 引起的 L ;偏转副翼 ? a 引起的 L ;偏转方向舵 ? r 引起的 L ;滚转角速度 p 引起 的 L ;偏航角速度 r 引起的 L 。 ? 绕 oy 轴的偏航力矩 N 包括:侧滑角 ? 引起的 N ;偏转副翼 ? a 引起的 N ;偏转方向舵 ? r 引起的 N ;滚转角速度 p 引起的 N ;偏航角速度 r 引起的 N 。
?

航空自动化学院

(一)绕ox轴的滚转力矩 L
1、测滑角 ? 引起的 L --侧向静稳定力矩
L( ? ) ? 1 ?V 2 S wbCl? ? 2

Cl? ? ?Cl / ??

(1)机翼上(下)反角 ? 的作用

航空自动化学院

(1)机翼上(下)反角 ? 的作用
? ?

若是上反角,气动导数 Cl? 为负。 若是下反角,气动导数Cl? 为正。

航空自动化学院

(2)机翼后掠角 ? 的作用
1/ 4

? ?

后掠翼的气动导数 Cl 为负。 前掠翼的气动导数 Cl 为正。
? ?

航空自动化学院

(3)立尾的作用
? ?

?

立尾在 ox轴之上时Cl 为负; 立尾在 ox轴之下时Cl 为正。 侧向静稳定性的意义 全机的 Cl 为上述各项作用的总和,称为飞机横滚静稳定性 导数。 Cl 为负值时飞机具有横滚静稳定性; Cl 为正则时横 滚静不稳定。
? ? ? ? ?

航空自动化学院

稳定意义
? ? 0 ? ? ? 0?
0 ?? ? ? ? CL ? Cl? * ? ? 0 ? L( ? ) ? (左滚转力矩) Cl? ? 0 ? ? ? 0 ? ? ? 0? 0 ?? ? ? ? CL ? Cl? * ? ? 0 ? L( ? ) ? (右滚转力矩) Cl? ? 0 ?

? ? 0 ? ? ? 0?

0 ?? ? ? ? CL ? Cl? * ? ? 0 ? L( ? ) ? (右滚转力矩) Cl? ? 0 ? ? ? 0 ? ? ? 0? 0 ?? ? ? ? CL ? Cl? * ? ? 0 ? L( ? ) ? (左滚转力矩) Cl? ? 0?

航空自动化学院

2、副翼偏转角 ? a 引起的L——滚转控制力 矩
?

?

副翼正偏转时,右副翼后缘下偏,同时左副翼后缘 上偏,右翼升力增大,左翼升力减小,产生的滚转 力矩L为负值; 副翼负偏转时,左副翼后缘下偏,同时右副翼后缘 上偏,左翼升力增大,右翼升力减小,产生的滚转 力矩L为正值。

航空自动化学院

3、方向舵偏转角 ?r 引起的L——操纵交叉 力矩
1 L(? r ) ? ?V 2 S wbCl? r? r 2

航空自动化学院

4、滚转角速度 p 引起的 L ——滚转阻尼 力矩
1 L( p) ? ?V 2 S wbClp ( pb 2V ) 2

航空自动化学院

5、偏航角速度 ? 引起的L——交叉动态力 矩
1 L(r ) ? ?V 2 S wbClr ( rb 2V ) 2

航空自动化学院

(二)绕oz轴的偏航力矩N
1、侧滑角 ? 引起的N--航向静稳定力矩 ? 此力矩主要由机身和立尾产生。
1 N ( ? ) ? ?V 2 S wbCn? ? 2
?

航向静稳定性意义:

?? ? 0 ? ? ? ? N ? 机头右偏 ? ??减小 ? 即有消除侧滑的趋势 Cn? ? 0?

风标稳定性

航空自动化学院

2、副翼偏转角 ? a 引起的N--操纵交叉力矩
1 N (? a ) ? ?V 2 S wbCn? a ? a 2

航空自动化学院

3、方向舵偏转角 ?r 引起的N--航向控制力 矩
N (? r ) ? 1 ?V 2 S wbCn? r ? r 2

航空自动化学院

4、滚转角速度p引起的N--交叉动态力矩
1 N ( p ) ? ?V 2 S wbC np ( pb 2V ) 2

航空自动化学院

5、偏航角速度r引起的N--航向阻尼力矩
1 N (r ) ? ?V 2 S wbCnr (rb 2V ) 2

三、侧力和侧向力矩表达式

航空自动化学院

第七节 操纵面的铰链力矩
?

铰链力矩是作用在舵面上的压力分布的合力对舵面 铰链轴形成的力矩,铰链力矩的正方向规定为使舵 面正向偏转的铰链力矩为正。


相关文章:
飞行控制系统简介
飞行控制系统简介_能源/化工_工程科技_专业资料。飞行控制系统简介,瑞伯达专业飞行控制器。自动飞行控制系统 飞行控制系统(简称飞控系统)的作用是保证飞机的稳定性和操...
飞行模拟机自动飞行控制系统设计
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 飞行模拟机自动飞行控制系统设计 作者:关兴玫 来源:《科技创新与应用》2013 年第 27 期 摘要:自动飞行控制系统可以实现...
飞行自动控制系统统
飞行自动控制系统统 一、电传操纵系统(FIY-BY-Wire)及其余度技术 装有控制增稳系统的高性能飞机,适应了现代飞行的需要提高了飞机性能和操纵品质。 但是驾驶员还...
自动飞行控制系统电子讲稿第一部分
自动飞行控制系统电子讲稿第一部分_交通运输_工程科技_专业资料。学习情景 1 课程导论 1.飞行控制系统发展概述 自动飞行控制系统已有 100 多年的研制历史, 早在有...
飞行控制系统及其使用
飞行控制系统及其使用_能源/化工_工程科技_专业资料。飞行控制系统及其使用 摘要 基于电传控制自动飞行控制系统和数字化的电子飞行仪表 系统,将飞行方式和飞行导引显示...
下册-第6章自动飞行控制系统
涡轮发动机飞机结构与系统(M11)复习要点 (下册)第 6 章 自动飞行控制系统 1、自动飞行控制系统(AFCS)的组成:自动驾驶仪(A/P)、飞行指引系统(F/D)、自动油门...
飞行操纵系统
1.飞行操纵系统分类 按照操纵指令的来源分为:人工飞行操纵系统和自动飞行控制系统。 (1)人工飞行操纵系统:其操纵信号由驾驶员发出。包括主飞行操纵系统和辅助飞行...
飞机飞行控制系统
不依赖于驾驶员操纵驾驶杆和脚蹬指令而自动完成控制任务的飞控系统, 称 为自动飞行控制系统。自动驾驶仪是最基本的自动飞行控制系统。 飞控系统构成 飞控系统由控制...
飞行控制
FCC AP A/T Flight Control Computor 飞行控制计算机 Autopilot 自动驾驶仪 Automatic throttle 自动油门 DFCS Digital Flight Control System 数字飞行控制系统 AFCS...
飞机控制系统
飞控系统的发展与展望 一、飞控系统的简介所谓飞机控制系统,是指飞行器在飞行过程中,利用自动控制系统,能够对 飞行器的构形、 飞行姿态和运动参数实施控制的系统。...
更多相关标签:
飞行控制系统 | 自动飞行控制系统 pdf | 末日飞机 | 自动控制系统 | 无人机飞行控制系统 | 无人机飞控 | 自动飞行模式 | 飞机自动飞行控制系统 |