毕业设计（论文）题目：某飞机自动驾驶仪控制系统设计学院：专业名称：班级学号：学生姓名：指导教师：1绪论1.1自动控制概述自动控制即在没有人直接干预的情况下，通过控制装置操纵受对象或过程，使之自动按照预定的规律运行，并具有一定的状态与性能。

一般地说，自动控制是指自动控制的技术。

而从其实质内容来看，它是指自动控制原理与自动控制系统两大部分。

自动控制的几个专业术语分为：受控对象（被操作的机器设备）、被控量（表征其工况的关键参数）、给定值（机器设备工况参数所希望或所要求达到的值）、干扰（干扰与破坏系统具有预定性能或预定输出的外来信号作用）、控制器（使受控对象具有所要求的性能与状态的控制设备）、控制系统（受控对家与控制装置的总体）。

自动控制的任务就是使受控对象的被控量按给定值变化。

1.1.1自动控制系统的发展人们普遍认为最早应用于工业过程的自动反馈控制器，是James Watt于1769年发明的飞球调节器，它被用来控制蒸汽机的转速。

俄国人则断言，最早的具有历史意义的反馈系统据说是由I.Polzunov于1765年发明的用于水位控制的浮球调节器。

1868年之前，自动控制系统发展的主要特点是凭借直觉的实证性发明。

提高控制系统精度的不懈努力导致人们要解决瞬态振荡问题，甚至是系统稳定性问题，因此发展自动控制理论便成了当务之急。

J.C.Maxwell用微分方程建立了一类调节器的模型，发展了与控制理论相关的数学理论，其工作重点在于研究不同系统参数对系统性能的影响。

在同一时期，I.A Vyshnegradskii建立了调节器的数学理论。

二战之前，控制理论及应用在美国和西欧的发展与它在俄国和东欧的发展采取了不同的途径。

在美国，Bode、Nyquist和Black等人在贝尔电话实验室对电话系统和电子反馈放大器所做的研究工作，是促进反馈系统应用的主要动力，采用带宽等频域变量术语的频域方法当初主要是用来描述反馈放大器的工作情况。

与此相反，在前苏联，一些著名的数学家和应用力学家发展和主导着控制理论，因而他们倾向于用微分方程描述系统的时域方法。

二战期间，自动控制理论及应用得到了巨大的发展。

战争需要用反馈控制的方法设计和建造飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。

这些军用系统的复杂性和对高性能的追求，要求拓展已有的控制技术。

这导致人们更加关注控制系统，同时也产生了许多新的见解和方法。

1940年以前，控制系统设计在绝大部分场合是一门艺术或手艺，用的是“试凑法”。

在20世纪40年代，数学和分析的方法无论在数量还是在实用性方面都有了很大发展，控制工程因而也发展成为一门工程科学。

随着Laplace变换和频域复平面的广泛应用，频域方法在二战之后仍在控制领域占据着主导地位。

20世纪50年代，控制工程理论的重点是发展和应用s平面方法，特别是根轨迹法。

到80年代，数学计算机用作控制部件已属平常，这些新部件为控制工程师提供了前所未有的运算速度和精度。

在美国，现在安装和使用着逾40万台控制用数字计算机，它们主要用于过程控制系统，同时也用于多变量同步测量和控制。

随着人造卫星和空间时代的到来，控制工程又有了新的推动力。

为导弹和空间探测器设计复杂、高精度的控制系统成了现实需要。

此外，由于既要减轻卫星等飞行器的重量又要对它们实施精密控制，最优控制因而变得十分重要。

正是基于上述需求，最近20年来，有Liapunov、Minorsky等人提出的时域方法受到了极大的关注。

由前苏联的L.S.Pontryagin和美国的R.Bellman研究提出的最优控制理论，以及近期人们对鲁棒系统的研究，都为时域方法增色不少，已经众所周知的是，控制工程在进行控制系统分析与设计时应同时考虑时域和频域两种方法。

1.1.2自动控制系统的分类及性能要求一、自动控制系统有多种分类方法1．工程技术领域里以生产工艺过程的性质特点、执行机构分类（1）电力拖动自动控制系统是以机械运动为主要生产形式，以电动机为执行机构。

（2）工业生产过程控制系统是以化学反应或者热能转换为主要生产形式，以自动化仪表与装置为检测与执行机构。

2．按控制方法分类（1）开环控制系统控制作用由输入端单方向传递到输出端，系统的输出量对输入控制作用没有影响，即不存在反馈的控制系统。

（2）闭环控制系统是指系统的输出量对输入量有直接控制作用的系统。

基于负反馈的按偏差进行调节的控制系统称为负反馈闭环控制系统。

负反馈闭环控制是自动控制里最基本的控制策略。

（3）复合控制系统是开环控制与闭环控制相结合的控制系统。

3．按控制作用的特点即按给定量的变化规律分类（1）恒值控制系统或称自动镇定系统输入r(t)=const,系统在任何扰动下，输出量以一定精度接近给定值。

（2）程序控制系统输入r(t)按事先给定的规律或程序变化，系统在任何扰动下，输出量以一定精度跟随给定量变化。

（3）随动系统或称自动跟踪系统输入r(t)的变化是未知而随机的，系统在各种情况下，输出量以一定精度跟随给定量变化。

（4）线性系统与非线性系统系统中所有元部件的输入—输出特性全是线性特性者称为线性系统，系统中只要有一个元部件的输入—输出特性是非线性特征者，则称为非线性系统。

（5）连续系统与离散系统如果控制系统中的的所有信号都是时间变量的连续函数，或者说这些信号在全部时间上都是已知的，则这样的信号称为连续信号，其系统称为连续系统。

如果控制系统中有一处或几处信号是一串脉冲或数码，换句话说，这些信号仅定义在离散时间上，则这样的信号称为离散信号，其系统称为离散系统。

（6）确定系统与模糊系统系统的结构与参数是确定已知的，作用于系统的输入信号也是确定的，这样的系统称为确定系统。

若系统的结构与参数不确定，作用于系统的信号也不确定，这样的系统称为模糊系统或不确定系统。

二、对控制系统的性能要求一个控制系统能否很好地工作，工程上常常用稳、快、准3方面来评价。

（1）稳指动态过程的平稳性，就是动态过程的振荡倾向与系统受扰偏离平衡状态后恢复平衡状态的能力。

控制系统的稳定性是系统使用的基础，不稳定的系统没有意义。

（2）快指动态过程的快速性，即动态过程的时间长短，时间越短快速性能越好，即越快。

系统的超调量要小，调节时间要短。

（3）准指动态过程的最终精度，即控制系统输出量的期望值与实际终了值与实际终了值之差，其差值越小精度越高、越准。

受控对象不同，对稳、快、准的技术要求也各有所侧重。

对一个系统，不能要求三项性能指标都很优良，那样系统的成本会很高。

而且，同一个系统的稳、快、准三项指标往往相互制约。

1.1.3自动控制系统的前瞻控制系统不懈努力的目标是使系统具有更好的柔性和更高的自主性。

柔性和自主性这两个系统概念或特性从不同的途径要求系统趋向同一个目标，真可谓是殊途同归。

现在的工业机器人已具备了相当大的自主性，一旦确定了控制程序，机器人通常不需要人的进一步干预。

但由于传感技术的局限，机器人适应工作环境的变化的柔性却十分有限，这也是开展计算机视觉研究的原因之一。

一般意义下的控制系统具有很强的环境适应性，但它依赖于人的及时指导。

展望未来，先进的机器人系统将通过改进传感反馈机制，变得具有更强的任务自适应能力；有关人工智能、传感器集成、计算机视觉和离线CAD/CAM编程等技术的研究，将使机器人系统变得更加通用和更加经济；一般意义下的控制系统将朝着增强自主运行能力的方向发展，成为人工控制的延伸；在监督控制、人机交互等方面的研究将减轻操作手的负担；计算机数据库管理也将提高操作手的工作效率。

此外，还有许多研究工作，如通信方法的改进和高级编程语言的开发等，对机器人和控制系统的发展同样起着推动作用，并且有利于降低工程实现的费用和扩展控制工程的应用领域。

1.2飞机自动控制系统介绍飞行控制的目的是完成飞行器各种模态的控制任务，它是通过控制飞行器的姿态和轨迹来完成这些任务的。

当然，这类控制应保证飞行安全。

符合优化条件，并充分发挥飞行器个部件以及整机性能，适应各种飞行环境，从而很好地完成各种飞行模态的飞行控制任务。

飞行控制技术与控制理论、航空技术、计算机技术密切相关，互相渗透，相互促进，并获得迅速发展。

飞行控制技术特别是主动控制技术已成为飞行器随控布局设计思想的四个重要环节之一。

而且是使四个重要环节有机地结合起来的组带。

飞行控制技术以及与其密切相关的技术或理论的发展进程相互关联。

在控制理论方面，从实践出发，理论密切联系实际，并循序渐进发展起来的经典控制理论、近代控制理论，到目前为止已形成了大系统理论体系。

初期的飞控系统只是在某阶段起稳定飞行姿态或航迹作用。

或者在飞行全过程起增稳作用，即自动驾驶仪与增稳系统。

随后出现控制增稳系统，它不但能增进飞行器的稳定性，还可用以控制飞机以充分发挥飞机的机动性。

使控制系统数字化并采用余度技术，就出现了现代数字式电传操纵系统，由于控制用数字计算机的逻辑判断、快速运算、综合优化等功能，因而可适应复杂多变的飞行环境以及各种模态的控制作用和任务。

主动控制技术的应用，是飞行控制系统的一个飞跃，它主要包括：放宽静稳定度；直接升力；直接侧力控制；乘座品质控制；机动载荷控制；颤振抑制等。

1.2.1飞机自动控制系统的发展与应用飞行自动控制系统的发展经历了 4个阶段：①20世纪初～40年代，由简单的自动稳定器发展成自动驾驶仪。

②40～50年代，由自动驾驶仪发展成飞行自动控制系统。

飞机性能不断提高，要求自动驾驶仪与机上其他系统耦合形成飞行自动控制分系统。

这些分系统的总合称为飞行自动控制系统。

为适应飞行条件的剧烈变化，飞行自动控制系统的参数随飞行高度或动压而变化，这样的系统称为调参式飞行自动控制系统。

③60年代出现自适应飞行自动控制系统。

此外，在歼击机上开始安装由增稳系统和自动驾驶仪组合的复合系统。

④70～80年代,飞行自动控制系统发展成主动控制系统。

70年代数字式电传操纵系统得到发展。

电传操纵系统易于与机上其他系统（如火控系统、导航系统等）交联,80年代以来出现航空综合系统（如火控-飞行综合控制系统等）。

美国海军现役F-14和F-18战斗机所使用的飞行自控系统安装有数字式信号处理装置，具有抗电子干扰的能力，并且使用灵活。

他采用了MIL-1553B数字式多路传输总线，从而减少了结构复杂和重量较大的导线电缆，并易于以后增加其他系统。

F-15战斗机装有AN/SW-38自动驾驶仪，其数字化程度极高，装有数字电子控制计算机系统。

F-16战斗机的飞行自控系统也有较高的数字化程度，为了减轻重量，他还采用了轻质材料，并减小了体积。

美国最先进的战斗机F-22的飞控系统更加数字综合化、自动最佳化，已初步具备智能化。

特别是他具有较高的自修复能力，当系统发生故障后，可以重新组合新的系统。