1、第四章 自動(dòng)駕駛儀及控制規(guī)律,自動(dòng)駕駛儀是一種能夠穩(wěn)定和控制直升機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的自動(dòng)控制裝置。 是一個(gè)能保持直升機(jī)姿態(tài)，輔助駕駛員(有人)控制直升機(jī)航跡的自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備。,直升機(jī)的自動(dòng)駕駛儀一般有四個(gè)通道，分別由油門、變距桿+自動(dòng)傾斜器和尾槳變距機(jī)構(gòu)控制。,控制通道是4個(gè)，可操作的對(duì)象有3個(gè)，其中自動(dòng)傾斜器實(shí)現(xiàn)總距、縱向周期變距和橫向周期變距。,第一節(jié) 基本組成與職能,一、基本組成,六大組成： 給定元件、測(cè)量元件、綜合裝置、放大元件、執(zhí)行元件、反饋元件。,一套完整的直升機(jī)自動(dòng)駕駛儀一般由俯仰通道，傾斜通道，航向通道和總距通道四個(gè)通道組成。 每個(gè)通道的舵回路是自動(dòng)駕駛儀的核心。 自動(dòng)駕駛儀的控制規(guī)律以

2、舵回路的控制規(guī)律為基礎(chǔ)。,二、基本職能,自動(dòng)測(cè)量直升機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)。 將所測(cè)結(jié)果與給定（初始）狀態(tài)比較，求出偏差。 將偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換成能推動(dòng)自動(dòng)傾斜器偏轉(zhuǎn)的信號(hào)，操縱旋翼錐體按一定的規(guī)律傾斜，使直升機(jī)控制到給定狀態(tài)/恢復(fù)到初始狀態(tài)。,例 駕駛員操縱作等速水平飛行,第二節(jié) 基本控制規(guī)律,自動(dòng)駕駛儀的輸入信號(hào)（綜合信號(hào)）與舵機(jī)輸出量（自動(dòng)傾斜器的偏轉(zhuǎn)角度或角速度 ）之間的函數(shù)關(guān)系，稱為自動(dòng)駕駛儀的控制規(guī)律。 控制律設(shè)計(jì)方法很多，對(duì)自動(dòng)駕駛儀控制律設(shè)計(jì)而言可歸納為兩種基本類型：比例式、積分式。,一、比例式控制規(guī)律,舵機(jī)輸出量（自動(dòng)傾斜器的偏轉(zhuǎn)角）在自動(dòng)駕駛儀控制下與各輸入信號(hào)之和（綜合信號(hào)）成正比，

3、此類控制規(guī)律稱比例式控制規(guī)律。 具有比例式控制規(guī)律的自動(dòng)駕駛儀成為比例式駕駛儀。,基本控制方案,為舵回路反饋元件-位置反饋,操縱桿系假定為1時(shí)，通道傳遞函數(shù)為：,放大器增益,舵機(jī)增益,舵機(jī)時(shí)間常數(shù),縱向周期變距增量,舵回路綜合輸入信號(hào),放大器忽略慣性，舵機(jī)簡(jiǎn)化為慣性積分環(huán)節(jié),只要滿足條件：,自動(dòng)傾斜器偏轉(zhuǎn)角與綜合信號(hào)成正比關(guān)系，比例系數(shù)是位置反饋系數(shù)的倒數(shù)。,比例式自動(dòng)駕駛儀,主控信號(hào)：,輔助信號(hào)：,一般形式比例式控制規(guī)律（控制性能改善）,型自動(dòng)駕駛儀穩(wěn)定狀態(tài)控制規(guī)律,操縱量與控制信號(hào)成比例，即為比例式駕駛儀。,二、積分式控制規(guī)律,舵機(jī)輸出量（自動(dòng)傾斜器的偏轉(zhuǎn)角速度）在自動(dòng)傾斜器作用下與各輸入

4、信號(hào)對(duì)時(shí)間的積分之和（綜合信號(hào)）成正比，此類控制規(guī)律稱為積分式控制規(guī)律。 具有積分式控制規(guī)律的自動(dòng)駕駛儀稱為積分式駕駛儀。,反饋信號(hào)不是與自動(dòng)傾斜器的偏轉(zhuǎn)成正比，而是與其偏轉(zhuǎn)角速度成正比。測(cè)速電機(jī)輸出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速即自動(dòng)傾斜器的偏轉(zhuǎn)速度成正比。 反饋信號(hào)與俯仰角偏差信號(hào)的差值，取決于自動(dòng)傾斜器的偏轉(zhuǎn)角速度。,基本控制方案,積分式控制律舵回路反饋元件為測(cè)速反饋,傳遞函數(shù),速度反饋，舵機(jī)的時(shí)間常數(shù)減少了 倍,只要滿足條件：,綜合信號(hào)由測(cè)量和設(shè)置得到,自動(dòng)傾斜器縱向偏轉(zhuǎn)角與俯仰角偏差的積分成正比。,僅有角位置信號(hào)的積分式駕駛儀難以穩(wěn)定工作。為了改善其穩(wěn)定性 ，在引入角位置主控信號(hào)外，一般還引入一些輔助信

5、號(hào)，如角速度、角加速度信號(hào)。,縱向通道積分式駕駛儀,傳動(dòng)比,一般形式積分式駕駛儀,三、比例加積分控制規(guī)律,只要滿足條件：,時(shí)間常數(shù)較大，幾秒十幾秒。操縱量由控制信號(hào)的比例加積分量決定。,第三節(jié) 縱向角運(yùn)動(dòng)控制基本工作原理,自動(dòng)駕駛儀控制縱向角運(yùn)動(dòng)-俯仰角自動(dòng)穩(wěn)定與操縱,一、比例式自動(dòng)駕駛儀控制俯仰角,基本工作過程,受擾動(dòng)產(chǎn)生俯仰角變化，,產(chǎn)生抑制抬頭力矩,自動(dòng)傾斜器前傾,停止前傾,反向恢復(fù),電位計(jì)動(dòng)態(tài)過程忽略不計(jì),過程分析,僅有角位置信號(hào)的自動(dòng)駕駛儀,對(duì)于瞬時(shí)干擾，駕駛儀穩(wěn)定俯仰角不存在原理靜差，但對(duì)常值干擾則存在靜差，修正力矩與常值干擾力矩平衡時(shí)：,靜差 jc與L成反比，要求靜差小時(shí)，L須選

6、的大。,俯仰角控制靜態(tài)情況,俯仰角控制動(dòng)態(tài)過程,當(dāng)干擾作用時(shí)，自動(dòng)駕駛儀測(cè)得俯仰角，使自動(dòng)傾斜器前傾。 Tx加大 TxY加大抑制上仰恢復(fù)到原狀態(tài)。,俯仰平衡條件,L不同，過渡過程呈現(xiàn)不同形式,從穩(wěn)定性看，L不能太大。,為了保證原始精度，使系統(tǒng)選取較大的L值時(shí)，仍具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，引入俯仰角速度反饋。,從靜差看，L須選的大。,引入俯仰角速度信號(hào)的自動(dòng)駕駛儀,俯仰角速度信號(hào)傳動(dòng)比,自動(dòng)傾斜器的動(dòng)作比只有角信號(hào)時(shí)提前了。,不僅不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重振蕩，還縮短了恢復(fù)初態(tài)的時(shí)間。同時(shí)，為增大主控信號(hào)L ，盡量減小俯仰角穩(wěn)態(tài)誤差創(chuàng)造了條件，但不可能徹底消除誤差，成為有差控制系統(tǒng)。,以上結(jié)論也適用于滾轉(zhuǎn)通道，偏航

7、通道。,積分式自動(dòng)駕駛儀俯仰通道原理框圖,二、積分式自動(dòng)駕駛儀控制俯仰角,基本工作過程,過程分析,僅有角速度信號(hào) ：,自動(dòng)傾斜器偏轉(zhuǎn)角速度與俯仰角速度成正比。,如當(dāng)直升機(jī)受擾動(dòng)后上仰，角速度陀螺輸出俯仰角速度，自動(dòng)傾斜器以相應(yīng)的角速度向前偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生恢復(fù)力矩，使直升機(jī)向原狀態(tài)恢復(fù)。當(dāng)俯仰角速度信號(hào)改變符號(hào)，自動(dòng)傾斜器也隨之改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。,在比例式中起阻尼作用，在積分式作為主控信號(hào)與比例式中的角位置信號(hào)同等作用,引入角加速度信號(hào),相當(dāng)于比例式控制規(guī)律中的角速度信號(hào)，起阻尼作用，使自動(dòng)傾斜器的角速度動(dòng)作相應(yīng)提前。,引入角位置信號(hào),消除常值力矩作用下的靜差。當(dāng)常值干擾力矩作用達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，需要自動(dòng)傾斜器保

8、持一定的偏轉(zhuǎn)角來平衡，這一偏轉(zhuǎn)角不是直接由角位置偏差來提供，而是通過積分來獲得。,穩(wěn)定過程中控制信號(hào)U由角位置信號(hào)、角速度信號(hào)和角加速度信號(hào)三者合成。,達(dá)到穩(wěn)定時(shí),時(shí)間響應(yīng)定性分析,角位置信號(hào)可使積分式自動(dòng)駕駛儀消除穩(wěn)態(tài)誤差無差控制系統(tǒng)。 工程實(shí)際：若角速度陀螺存在一定的不靈敏度，此時(shí)又無角位置信號(hào)作用，則當(dāng)直升機(jī)姿態(tài)角發(fā)生緩慢偏離時(shí)，角速度陀螺無信號(hào)輸出，則隨時(shí)間的積累，會(huì)導(dǎo)致大的誤差。換而言之，若無角位置信號(hào)，積分式自動(dòng)駕駛儀便無法檢驗(yàn)直升機(jī)是否按要求的姿態(tài)飛行。,第四節(jié) 側(cè)向角運(yùn)動(dòng)控制基本工作原理,一、滾轉(zhuǎn)角自動(dòng)控制原理,繞直升機(jī)縱軸的常值干擾力矩一般不大，故滾轉(zhuǎn)通道往往采用與俯仰通道相

9、似的控制規(guī)律，各信號(hào)作用類似。,側(cè)向角運(yùn)動(dòng)包括滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和偏航轉(zhuǎn)動(dòng)。 滾轉(zhuǎn)角和偏航角的控制分別由滾轉(zhuǎn)通道和航向通道來實(shí)現(xiàn)。,比例式控制律：,積分式控制律：,積分式自動(dòng)駕駛儀結(jié)構(gòu)圖,比例式自動(dòng)駕駛儀結(jié)構(gòu)圖,AII-34B型自動(dòng)駕駛儀滾轉(zhuǎn)角控制原理,比例式自動(dòng)駕駛儀,二、航向角自動(dòng)控制原理,簡(jiǎn)單的航向穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu),自動(dòng)穩(wěn)定與控制航向原理與俯仰、滾轉(zhuǎn)類似，由航向通道控制尾槳實(shí)現(xiàn)?？梢杂帽壤交蚍e分式自動(dòng)駕駛儀控制規(guī)律。,比例式：,積分式：,為偏航角、偏航角速度和偏航角加速度到尾槳的傳動(dòng)比。,簡(jiǎn)單自動(dòng)駕駛儀航向通道原理,通過測(cè)量偏航角，使舵機(jī)控制尾槳槳距來消除航向偏差。由于沒有信號(hào)交聯(lián)到駕駛桿操縱系統(tǒng)，

10、不可能消除側(cè)滑。要消除航向控制過程中的側(cè)滑，通常駕駛員適當(dāng)操縱駕駛桿來協(xié)助。,AII-34B型自動(dòng)駕駛儀自動(dòng)穩(wěn)定航向原理,比例式自動(dòng)駕駛儀,航向穩(wěn)定控制,直升機(jī)縱軸在水平面內(nèi)的偏航轉(zhuǎn)動(dòng)取決于偏航力矩。偏航力矩可由尾槳槳距變化或側(cè)滑產(chǎn)生。 空速向量在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，取決于側(cè)向力。側(cè)向力由旋翼錐體左右傾斜時(shí)總拉力T沿橫軸的分量和尾槳拉力產(chǎn)生，或側(cè)滑產(chǎn)生。 確保直升機(jī)航向穩(wěn)定，應(yīng)將直升機(jī)縱軸和空速向量都穩(wěn)定在給定的航向上，就必須控制偏航力矩和側(cè)向力。,直升機(jī)前飛中，由于其質(zhì)量大，速度快，使得改變速度向量的方向比改變縱軸的方向困難的多，二者在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中往往縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)快，速度向量轉(zhuǎn)動(dòng)慢，從而產(chǎn)生側(cè)滑。,側(cè)

11、滑不利因素：,駕駛員，乘員不適之感。 轉(zhuǎn)彎半徑大。 增大阻力。 機(jī)動(dòng)性差。 不利導(dǎo)航、瞄準(zhǔn)。,穩(wěn)定控制航向時(shí)須防止側(cè)滑發(fā)生。,駕駛員穩(wěn)定直升機(jī)航向方法,以直升機(jī)出現(xiàn)右偏航為例：駕駛員從羅盤指示器上看到后，隨即操縱直升機(jī)向左轉(zhuǎn)彎，使之恢復(fù)到原航向。此時(shí)駕駛員的操縱方法有三種可能：,蹬左舵（偏航力矩先改變）-直升機(jī)做帶右側(cè)滑的左轉(zhuǎn)彎。,蹬左舵尾槳槳距改變航向操縱力矩Tjlj（增量）機(jī)頭左偏轉(zhuǎn)，縱軸偏離航跡，出現(xiàn)右側(cè)滑。（速度矢量在縱軸右邊） 機(jī)頭向左偏轉(zhuǎn)過程中，會(huì)出現(xiàn)阻轉(zhuǎn)力矩。 氣流自右向左吹過尾槳，產(chǎn)生航向靜安定力矩。 二者使機(jī)頭向左偏轉(zhuǎn)的角速度減小并力圖制止側(cè)滑角的增大。 當(dāng)空速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度增大

12、到與機(jī)頭偏轉(zhuǎn)角速度y相等時(shí)，側(cè)滑角不再增大。這種側(cè)滑常成為外側(cè)滑。,向左壓桿(速度矢量先改變）-直升機(jī)作帶左側(cè)滑的左轉(zhuǎn)彎,左壓桿旋翼錐體向左偏拉力T的水平分量Tz增大與尾槳拉力平衡打破空速向量方向偏向直升機(jī)縱軸左邊形成左側(cè)滑。 左側(cè)滑同時(shí)產(chǎn)生航向靜安定力矩，使機(jī)頭隨速度向量一起向左偏轉(zhuǎn)以減小側(cè)滑角。 機(jī)頭偏轉(zhuǎn)同時(shí)產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)力矩，阻止機(jī)頭向左偏轉(zhuǎn)，減小側(cè)滑角。當(dāng)阻轉(zhuǎn)力矩與航向安定力矩平衡時(shí)，側(cè)滑角保持一定。這種側(cè)滑常成為內(nèi)側(cè)滑。,一面蹬左舵，同時(shí)一面適當(dāng)左壓桿,（蹬左舵）讓尾槳產(chǎn)生航向操縱力矩，使機(jī)頭向左偏轉(zhuǎn)。 （壓左桿）讓旋翼產(chǎn)生側(cè)向力，使空速向量隨機(jī)頭一起向左偏轉(zhuǎn)。消除可能產(chǎn)生的外側(cè)滑。,一面

13、左壓桿，一面蹬左舵,（壓左桿）側(cè)向力使空速向量向左偏轉(zhuǎn)。 （蹬左舵）產(chǎn)生航向操縱力矩，使機(jī)頭隨之一起向左偏轉(zhuǎn)，消除可能產(chǎn)生的內(nèi)側(cè)滑。,只壓桿會(huì)產(chǎn)生內(nèi)側(cè)滑，只蹬舵產(chǎn)生外側(cè)滑。,第五節(jié) 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎-無側(cè)滑角飛行狀態(tài),協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎是直升機(jī)航向控制的一種特定狀態(tài)。直升機(jī)在水平面內(nèi)連續(xù)改變飛行方向，即穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎，在此過程中滾轉(zhuǎn)與偏航兩運(yùn)動(dòng)耦合影響最小。,定義（規(guī)定）：在穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎過程中，保持滾轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)彎角速度、空速和高度不變的轉(zhuǎn)彎稱為協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎。,受力分析,高度不變,無側(cè)滑角,空速一定時(shí)，轉(zhuǎn)彎角速度和滾轉(zhuǎn)角近似成正比。要加快轉(zhuǎn)彎，必須增大滾轉(zhuǎn)角，空速不同，要獲得同樣的轉(zhuǎn)彎角速度必須調(diào)整滾轉(zhuǎn)角。,協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn),要使直

14、升機(jī)縱軸在水平面內(nèi)以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，需要： 控制尾槳槳距，使直升機(jī)繞豎軸以y轉(zhuǎn)動(dòng)。 操縱駕駛桿，使直升機(jī)繞橫軸以z轉(zhuǎn)動(dòng),（弧度/秒）,（弧度/秒）,（度/秒）,（度/秒）,協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎條件,駕駛桿縱向操縱（z）會(huì)帶來旋翼拉力垂直分量的變化，為保持高度不變，還需同時(shí)相應(yīng)操縱油門變距桿。 總之，要實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎，必須同時(shí)操縱駕駛桿、腳蹬、油門變距桿，使三者配合動(dòng)作。,左轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎,向左壓桿，使自動(dòng)傾斜器左偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向左滾轉(zhuǎn)角 達(dá)到要求值后收回駕駛桿 與此同時(shí)蹬左舵，產(chǎn)生y轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作 適當(dāng)上提油門桿并向后帶動(dòng)駕駛桿，以適應(yīng)z轉(zhuǎn)動(dòng)要求。,協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎自動(dòng)駕駛儀控制律,利用航向和橫滾兩通道交聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎。 轉(zhuǎn)彎信號(hào)分別加入到航向、橫滾兩個(gè)通道，建立滾轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)彎角速度。 同時(shí)在航向通道引入側(cè)向加速度信號(hào)，因?yàn)閭?cè)向加速度近似反映側(cè)滑角，以減小側(cè)滑。,積分式協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制律（無交聯(lián)信號(hào)）,比例式協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制規(guī)律（有交聯(lián)信號(hào)）,先建立一定的滾轉(zhuǎn)角，機(jī)體滾轉(zhuǎn)?？账傧蛄哭D(zhuǎn)動(dòng)后，再給方向通道引入滾轉(zhuǎn)角信號(hào)控制尾槳，使直升機(jī)縱軸跟隨空速向量轉(zhuǎn)動(dòng)。,高度補(bǔ)償,