第二节 飞行控制系统的基本任务
❖ 改善飞行品质
➢ 改善固有运动特性 ➢ 改善操纵特性 ➢ 改善扰动特性 ➢ 改善大扰动的控制问题
❖ 协助航迹控制 ❖ 全自动航迹控制 ❖ 监控和任务规划
第三节 飞行控制系统的基本组成和功能
❖ 自动驾驶方式的特点：
➢ 驾驶员在控制回路之外，只是监视着仪器仪表的信息，并不操纵驾 驶杆。
敏感元件+放大计算计算装置+执行机构=自动驾驶仪
基本的飞行控制系统包括:
❖ 阻尼器（Damper）； ❖ 增稳系统（Stability augmentation system-
SAS）； ❖ 控制增稳系统(Control augmentation system-
CAS)； ❖ 自动驾驶仪(Autopilot)。
❖ 19世纪末尝试过用伺服驱动和自动反馈保证飞机的纵向稳定 性。
❖ 当时人们的空气动力学和飞行力学知识十分浅薄，自动控制 理论也处在萌芽时期 实现飞行器自动控制的设想未付 诸实现。
1903年12月17日莱特兄弟驾驶自行研制的固定翼飞机飞行者一号 实现了人类史上首次重于空气的航空器持续而且受控的动力飞行
第一节 飞行控制系统的发展回顾
❖ 第二次世界大战后，将自动驾驶仪和其它机载装置 组合构成飞机的航迹自动控制，如：定高和自动下 滑导引系统。
❖ 成功突破音障以后，飞机的飞行包线（飞行速度和 高度的变化范围）逐渐扩大，越来越复杂的飞行任 务对飞机性能要求也越来越高，仅靠气动布局和发 动机设计所获得的飞机性能已经很难满足复杂飞行 任务的要求。因此借助于自动控制技术来改善飞机 稳定性的飞行自动控制装置（如增稳系统）相继问 世， 自动驾驶仪的功能进一步的扩展， 飞行 自动控制系统（automatic flight control system- AFCS）。
➢ 单轴螺旋桨悬浮系统（1-3人，需要钱） ➢ 基于FlightGear和Simulink的飞控与飞管实验教
学平台（1-3人） ➢ 体感遥控直升机（1-3人，需要钱）
二、自动飞行的基本原理 — “反馈”
自动飞行 — 是用一套控制系统在无人直接参与的条件下自动 地控制飞行器（主要指飞机和导弹）的飞行。其控制系统称 为飞行自动控制系统。
1、驾驶员是如何控制飞机的呢？（以要求飞机作水平直线飞 行为例）
基准
陀螺 地平仪
驾驶员
眼睛
大脑 神经
胳膊 手脚
驾驶杆
飞机
操纵舵面
图0-1 人工驾驶飞机的过程
The V-2 was guided by four external rudders on the tail fins, and four internal graphite vanes at the exit of the motor. The LEV-3 guidance system consisted of two free gyroscopes (a horizontal and a vertical) for lateral stabilization, and a PIGA accelerometer to control engine cutoff at a specified velocity
e
飞机
h
q
阻尼器 伺服机构
阻尼器
图0-6 高度稳定系统结构图
典型飞行控制系统的结构图
地面计算机
飞行安全
通信
导引 显示
驾驶员
直接 传输
操作设备
侧杆
飞行管理 计算机
飞行导引 计算机
飞行控制 计算机
操纵系统 发动机
监控 显示器
测
飞行
量 系
动力学
统
图0-7 典型飞行`控制系统结构图
项目
❖ 通过项目能加深对课程理解 ❖ 有助于找工作 ❖ 项目（有视频）
自动飞行控制系统
第一章 飞行力学基础
飞 第二章 飞行器运动方程
行 控
第四章 舵机与舵回路
制 第五章 典型飞行控制系统分析
系 第六章 典型飞行控制系统实例 统
第七章 现代飞行技术
绪论
第一节 飞行控制系统的发展回顾 第二节 飞行控制系统的基本任务 第三节 飞行控制系统的基本组成和功能
第一节 飞行控制系统的发展回顾
第一节 飞行控制系统的发展回顾
❖ 第二次世界大战期间，美国和原苏联相继研制出功能较完善 的电气式自动驾驶仪；二次世界大战后起，德国研制成功飞 航式导弹和弹道式导弹， 更加促进了飞行自动控制装置 的研制和发展。
导弹按空中的飞行轨迹可分为两大类，即飞航式导弹和弹道导弹（也称 有翼导弹和无翼导弹）。飞航式导弹在大气层中飞行，弹体附有弹翼、 尾翼和舵面。而弹道导弹的飞行轨迹主要在大气层以外，无弹翼。
第一节 飞行控制系统的发展回顾
❖ 1912年美国 爱莫尔• 斯派雷（Eimer Sperry）研制成功第 一台电动陀螺稳定装置 保持飞机稳定平飞。 能够稳 定飞机姿态运动的自动控制装置（自动驾驶仪autopilot） 得以迅速发展。
Courtesy the Hagley Museum & Library Elmer Sperry and his Gyro-Compass
➢ 控制机构（如：气动舵面和发动机油门等）的动作完全由随动系统 按照自动装置的信号来驱动完成。
第三节 飞行控制系统的基本组成和功能
❖ 半自动驾驶方式的特点： ➢ 随动系统的任务由驾驶员来完成 的; ➢ 驾驶员监视仪表并操纵驾驶杆来 修正由半自动装置形成失配信号。
❖ 人工驾驶方式的特点： ➢ 驾驶员亲自对周围的飞行环境观 察 ➢ 从领航员、调度员和指示仪表中 获得飞行信息， ➢ 要独立地决策并操纵驾驶杆来完 成控制动作。在飞行过程中，驾 驶员要全神关注地观察着各种飞 行指示仪表，然后经过大脑思维 做出决断，并通过手脚来适时准 确地操纵飞机。
❖ 仍然不能稳定飞行航迹。
驾驶员
自动驾 驶仪伺 服机构
操纵 系统
e
飞机
q
阻尼器 伺服机构
阻尼器
姿态控制器
（A/P）
g
图0-5 阻尼器和自动驾驶仪与驾驶员之间的关系
高度稳定系统
缺点： ❖ 仅是基准高度发生小偏离情况而设计的； ❖ 不能实现弯曲航迹的自动控制。
hc
高度 g 姿构
俯仰阻尼器与驾驶员在操纵飞机过程 中的控制分工
❖ 俯仰阻尼器仅仅通过反馈俯仰角速度来改善飞机的阻尼特性， 而对姿态和航迹的控制任务还仍然由驾驶员来完成。
驾驶员
操纵 系统
e
飞机
g
, q
伺服 电机
阻尼器
传感器
图0-4 阻尼器与驾驶员之间的关系
最基本的自动驾驶仪方案
缺点：
❖ 进行航迹控制仍然是间接的并且很麻烦，只能解除驾驶员短 时间内的工作负担。
长周期起伏振荡
第一节 飞行控制系统的发展回顾
❖ 20世纪60年代产生了随控布局飞行器 使配平的迎角减 小， 从而减小阻力，提高升阻比，并可以减小平尾尺寸 和质量。
❖ 随着计算机技术的发展，计算机已经成为飞行控制系统的核 心装置。 飞行控制系统的功能和内涵也在不断地扩展，成 为飞行器设计中不可缺少的至关重要的技术。
预置指令
敏感元件
放大计算 装置
自动驾驶仪 执行机构
升降舵
飞机
图 0-2 飞行控制系统自动控制过程
自动飞行的原理：当飞机偏离原态时，敏感元件感受偏离的 方向和大小并输出相应的信号，经放大计算处理，操纵机构 （称为舵机），使舵面相应偏转。由于整个系统是按负反馈 的原理连接的，其结果是使飞机趋于原态。当飞机回到原态 时，敏感元件输出信号为零，舵机以及与舵机机械相连的舵 面也回到原位，飞机重按原来姿态飞行。