2025年大學《航空運動》專業(yè)題庫——無人駕駛飛機的控制系統(tǒng)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填在題后括號內）1.無人駕駛飛機的控制系統(tǒng)主要目的是什么？(A)實現(xiàn)飛機的自動駕駛(B)提高飛機的飛行效率(C)保障飛機的飛行安全(D)增強飛機的機動性能2.以下哪一項不是無人駕駛飛機飛行控制系統(tǒng)的主要傳感器？(A)慣性測量單元(IMU)(B)全球定位系統(tǒng)(GPS)(C)氣壓高度計(D)發(fā)動機轉速傳感器3.在無人駕駛飛機的飛行控制系統(tǒng)中，通常用于穩(wěn)定飛機姿態(tài)和進行小幅度軌跡調整的主要控制律是？(A)軌跡控制律(B)姿態(tài)控制律(C)著陸控制律(D)起飛控制律4.PID控制器中，比例(P)項的作用是？(A)減小超調量(B)加快響應速度(C)消除穩(wěn)態(tài)誤差(D)提高系統(tǒng)阻尼5.以下哪種數(shù)據(jù)鏈方式通常具有較長的傳輸距離和較好的抗干擾能力？(A)無線電頻率數(shù)據(jù)鏈(B)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈(C)紅外數(shù)據(jù)鏈(D)激光數(shù)據(jù)鏈6.無人駕駛飛機控制系統(tǒng)中的“冗余”設計主要是為了提高系統(tǒng)的什么特性？(A)成本效益(B)可靠性和安全性(C)機動靈活性(D)傳感器精度7.將多個不同類型的傳感器信息融合在一起，以獲得更精確、更可靠的飛機狀態(tài)信息的技術是？(A)傳感器標定(B)傳感器融合(C)數(shù)據(jù)壓縮(D)自適應控制8.無人駕駛飛機自動駕駛儀接收到導航系統(tǒng)的目標點坐標后，需要進行哪一步處理才能生成控制指令？(A)信號放大(B)狀態(tài)估計(C)路徑規(guī)劃與制導(D)數(shù)據(jù)存儲9.以下哪一項是影響無人駕駛飛機控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素？(A)飛機氣動布局(B)傳感器精度(C)控制律設計(D)以上所有10.在無人駕駛飛機的應急情況下，控制系統(tǒng)執(zhí)行的關鍵操作之一是？(A)自動著陸(B)故障診斷與隔離(C)高速飛行(D)載荷部署二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在題后橫線上）1.無人駕駛飛機的控制系統(tǒng)通常由______、______、______和任務管理計算機等部分組成。2.慣性測量單元（IMU）主要由______和______組成，用于測量飛機的角速度和線性加速度。3.全球定位系統(tǒng)（GPS）為無人駕駛飛機提供______、______和______信息。4.在PID控制中，積分（I）項主要用來______，微分（D）項主要用來______。5.數(shù)據(jù)鏈是無人駕駛飛機與地面控制站或其他平臺之間進行______和______的通信通道。6.提高無人駕駛飛機控制系統(tǒng)可靠性的常用方法是采用______設計和______技術。7.飛行控制系統(tǒng)中的狀態(tài)估計是指利用傳感器信息對飛機的______、______、______等狀態(tài)變量進行估計的過程。三、名詞解釋（每題3分，共15分）1.自動駕駛儀(Autopilot)2.傳感器融合(SensorFusion)3.控制律(ControlLaw)4.數(shù)據(jù)鏈(DataLink)5.冗余系統(tǒng)(RedundantSystem)四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述無人駕駛飛機飛行控制系統(tǒng)的主要功能。2.簡述PID控制器中比例、積分、微分三項各自的作用及其優(yōu)缺點。3.簡述影響無人駕駛飛機控制系統(tǒng)性能的主要因素有哪些。4.簡述無人駕駛飛機控制系統(tǒng)進行故障診斷與隔離（FDIR）的基本原理。五、計算題（6分）已知某無人駕駛飛機的橫滾角控制系統(tǒng)采用比例控制器，其傳遞函數(shù)為G(s)=Kp/(s+1)。當輸入信號為單位階躍信號時，試求當Kp=2時，該系統(tǒng)的超調量（用百分比表示，結果保留一位小數(shù)）和上升時間（用秒表示，結果保留兩位小數(shù)）。（提示：可先求系統(tǒng)單位階躍響應的表達式）六、論述題（13分）論述無人駕駛飛機控制系統(tǒng)設計中，如何實現(xiàn)安全性與可靠性的保證？請從傳感器冗余、控制律魯棒性、故障診斷與隔離等方面進行闡述。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(D)3.(B)4.(C)5.(B)6.(B)7.(B)8.(C)9.(D)10.(B)二、填空題1.飛行控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)任務管理系統(tǒng)2.陀螺儀加速度計3.位置高度時間4.消除穩(wěn)態(tài)誤差提高系統(tǒng)阻尼（或抑制噪聲/提前預警）5.信息通信6.冗余冗余7.位置姿態(tài)速度三、名詞解釋1.無人駕駛飛機上執(zhí)行飛行控制任務的自動控制裝置，能夠根據(jù)預設程序或外部指令自動操縱飛機執(zhí)行飛行任務。2.將來自多個傳感器的信息進行組合、處理和融合，以獲得比單一傳感器更精確、更全面、更可靠的狀態(tài)估計信息的技術。3.飛行控制系統(tǒng)用于計算控制指令的算法或策略，規(guī)定了系統(tǒng)輸入與輸出之間的特定關系，以實現(xiàn)期望的飛行性能。4.連接無人駕駛飛機與地面站或其他平臺，用于傳輸控制指令、飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和任務信息的通信系統(tǒng)。5.為了提高系統(tǒng)的可靠性或性能，在關鍵部件或子系統(tǒng)上設置備份或冗余單元，當主單元發(fā)生故障時能夠自動切換或接管工作的系統(tǒng)設計。四、簡答題1.無人駕駛飛機飛行控制系統(tǒng)的主要功能包括：感知飛機狀態(tài)（通過傳感器獲取信息）、規(guī)劃飛行軌跡、計算控制指令、執(zhí)行控制指令驅動執(zhí)行機構、與地面或其他平臺通信、保證飛行安全等。2.比例項（P）：根據(jù)當前誤差大小成正比地產(chǎn)生控制作用，響應快，能減小穩(wěn)態(tài)誤差，但可能導致超調和振蕩。積分項（I）：根據(jù)誤差隨時間的累積產(chǎn)生控制作用，能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能導致響應變慢和超調增大。微分項（D）：根據(jù)誤差的變化率產(chǎn)生控制作用，能提高系統(tǒng)阻尼，抑制噪聲，加快響應，但可能對高頻噪聲敏感。單獨使用比例控制可能存在穩(wěn)態(tài)誤差；單獨使用積分可能導致振蕩；單獨使用微分可能放大噪聲。3.影響無人駕駛飛機控制系統(tǒng)性能的主要因素包括：飛機氣動參數(shù)、系統(tǒng)質量與慣性、傳感器精度與可靠性、控制律設計與參數(shù)整定、數(shù)據(jù)鏈帶寬與延遲、環(huán)境因素（如風、電磁干擾）等。4.故障診斷與隔離（FDIR）的基本原理是：通過監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和信號特征，利用冗余設計或故障檢測算法，識別出發(fā)生故障的部件或子系統(tǒng)，并盡可能將其從系統(tǒng)中隔離，維持系統(tǒng)剩余部分的基本功能或引導飛機安全著陸。常用方法有基于模型的方法、基于信號特征的方法等。五、計算題系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：G_cl(s)=G(s)/(1+G(s))=(Kp/(s+1))/(1+Kp/(s+1))=Kp/(s+1+Kp)當Kp=2時，G_cl(s)=2/(s+3)。該系統(tǒng)是無零點的二階系統(tǒng)，其自然頻率ωn=√3，阻尼比ζ=1/(2√3)。超調量σ%=exp(-ζπ/√(1-ζ2))*100%≈exp(-π/3)*100%≈23.1%上升時間tr=π/(ωd)=π/(ωn√(1-ζ2))=π/(√3*√(1-1/3))=π/(√3*√(2/3))=π/(√2)≈2.22秒六、論述題無人駕駛飛機控制系統(tǒng)設計中實現(xiàn)安全性與可靠性的保證是一個多方面綜合的過程。首先，在傳感器層面，采用冗余設計是提高可靠性的關鍵手段。例如，使用多個不同類型的傳感器（如IMU、GPS、氣壓計）進行信息融合，可以補償單個傳感器的故障或誤差，保證在惡劣環(huán)境或部分傳感器失效的情況下，系統(tǒng)仍能獲得足夠準確的狀態(tài)信息，維持基本的飛行控制能力。傳感器的冗余配置需要考慮故障檢測、隔離和健康管理的策略。其次，在控制律設計層面，需要考慮魯棒性。魯棒控制律旨在使控制系統(tǒng)能夠在外部干擾、模型不確定性和參數(shù)變化等不利因素影響下，仍能保持穩(wěn)定的性能和必要的性能指標（如跟蹤精度、抗干擾能力）。采用如H∞控制、滑模控制等先進的控制策略可以提高系統(tǒng)的魯棒性?？刂坡傻脑O計不僅要保證正常飛行狀態(tài)下的性能，還要考慮異常和故障情況下的保護策略。再次，故障診斷與隔離（FDIR）是實現(xiàn)安全性的重要保障。FDIR系統(tǒng)通過實時監(jiān)測傳感器信號、執(zhí)行機構狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障，判斷故障的類型和位置，并采取相應的應對措施。例如，一旦檢測到關鍵傳感器或執(zhí)行器故障，系統(tǒng)可以自動切換到備份傳感器或執(zhí)行器，或者調整控制策略，執(zhí)行預定義的安全程序，如