飛機(jī)升降速控制系統(tǒng)

1、飛機(jī)垂直速度控制系統(tǒng)自控大作業(yè)韓謹(jǐn)陽2015300464 一、系統(tǒng)背景升降速度（或稱作垂直速度）控制系統(tǒng)是現(xiàn)代自動飛行控制系統(tǒng)的重要模式，系統(tǒng)將按照最優(yōu)的（最省油）的升降速度自動控制飛機(jī)的爬升和下降。在一些飛機(jī)上，已經(jīng)將垂直速度控制系統(tǒng)作為縱向自動飛行控制系統(tǒng)的默認(rèn)模式，改變了以俯仰角自動控制系統(tǒng)作為默認(rèn)模式的傳統(tǒng)。 從動力學(xué)來看，對垂直速度的控制，若在飛行速度或空速不變的條件下，實際上就是對縱向軌跡角或者航軌跡角的控制，而對鬼計較的控制是飛機(jī)駕駛的最終目標(biāo)。從這一意義上來說，垂直速度控制系統(tǒng)成為縱向自動飛行控制系統(tǒng)的重要工作模式是容易理解的。 但從固定翼飛機(jī)縱向運動的操作實質(zhì)來說，只能通過改

2、變俯仰角力矩來達(dá)到對垂直速度的是需要通過對俯仰角的控制來間接達(dá)到對縱向軌跡傾角控制的目的。一次，垂直速度控制系統(tǒng)的核心是俯仰角控制系統(tǒng)，將以此作為內(nèi)回路來建立垂直速度控制系統(tǒng)。二、控制系統(tǒng)模型建立 飛機(jī)的垂直速度，實際指的是飛機(jī)重心相對于地面坐標(biāo)軸方向的速度，但方向與方向相反。根據(jù)運動學(xué)方程，可以得到垂直速度的線性方程 （1）其中，、為飛機(jī)平衡時的航跡傾角和速度 在實際中常用高度作為變量并以標(biāo)準(zhǔn)海平面作為測量基準(zhǔn)，平衡狀態(tài)時的高度為，則（1）式表示為 （2）如果平衡狀態(tài)下0= （3）由于是通過俯仰角控制系統(tǒng)來控制垂直速度，因此余姚求出航跡傾角和俯仰角之間的關(guān)系即 = （4） 將（4）式變換成傳

3、遞函數(shù)形式 在短周期運動的條件下，則有 （5）將（5）代入到（4）中，于是有 = （6）由于在某些飛行狀態(tài)下，式（6）很容易出現(xiàn)非最小相位系統(tǒng)，所謂化簡系統(tǒng)： （7）式（7）在系統(tǒng)設(shè)計中，精度是足夠的，并能保證是最小相位系統(tǒng)，將該式代入（3）中 （8）根據(jù)式（8）就可以建立在俯仰角控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的垂直速度控制系統(tǒng)了，而式（4）可用于建立數(shù)學(xué)仿真模型。三、升降速度控制系統(tǒng)的設(shè)計升降速度控制系統(tǒng)是由俯仰角系統(tǒng)作為回路的，垂直速度控制器將形成俯仰角指令并將其作為俯仰角控制系統(tǒng)的輸入，進(jìn)而對垂直速度實施控制。同時根據(jù)負(fù)反饋的原則，需引入升降速度的反饋作為控制器生成俯仰角質(zhì)量的必要信息。垂直速度控制系統(tǒng)

4、的方框圖如圖（1）濾波器HcHv057.3（s)c(s)控制器上述升降速度控制系統(tǒng)中（s)c(s)為俯仰角控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，且開環(huán)傳遞函數(shù)并不包含積分環(huán)節(jié)，將會場內(nèi)在垂直速度的穩(wěn)態(tài)誤差。所以垂直控制系統(tǒng)控制率的基本是由比例和積分環(huán)節(jié)所組成。 下面假設(shè)高度為4000M，速度130m/s下飛機(jī)動力學(xué)和俯仰角控制系統(tǒng)模型。在Kq=0.591和K=1.05時的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （9）由前式得，此飛行狀態(tài)下飛機(jī)俯仰角和根軌跡之間的關(guān)系 （10） （11）垂直速度控制系統(tǒng)方框圖如圖所示： 當(dāng)控制率結(jié)構(gòu)確定后，就可以進(jìn)行參數(shù)選擇了，首先確定的主要參數(shù)增益Kvs，然后再設(shè)計用于改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)進(jìn)度的積分參數(shù)選

5、擇，首先確定系統(tǒng)的主要參數(shù)增益Kvsi.在比例積分控制中，Kvs起主導(dǎo)作用，而Kvsi則主要用于響應(yīng)以改變穩(wěn)定精度，因此在設(shè)計Kvs時，可先假定Kvsi為0，這樣就可以Kvs作為閉環(huán)特征根的單一變量繪制根軌跡。 Kvs變化是的系統(tǒng)閉環(huán)特征根的根軌跡曲線如圖（1）所示圖（1）設(shè)計Kvs時，應(yīng)使得系統(tǒng)的主導(dǎo)復(fù)極點是欠阻尼的，這樣有利于Kvsi的選擇，并滿足閉環(huán)極點中仍存在一對主導(dǎo)復(fù)極點。如圖（1）所示，當(dāng)Kvs=0.936時，主導(dǎo)復(fù)極點的阻尼比0.601，震蕩模態(tài)是由復(fù)極點S1,2=1.3897±j1.8459決定的為了設(shè)計Kvsi，需要對圖（1）所示的系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程進(jìn)行變換。如圖（1）所示閉環(huán)特征方程為 （12）式中 ，其中Kvs已知。上式的兩邊同出因子得到 （13）顯然式（13）是以開環(huán)傳遞函數(shù) 、增益構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程，因此其閉環(huán)特征根是以其開環(huán)傳遞Gop進(jìn)行繪制，顯然滿足式（12）、式（13）在Kvsi變化時的根軌跡是一致的要求。傳遞函數(shù)為 （14）當(dāng)Kvsi變化時，其閉環(huán)根軌跡如圖（2）圖（2）由于Kvsi將決定積分器工作時的性能，因此將主動復(fù)極點選擇在阻尼比為0.7處，此時Kvsi=0.388 當(dāng)Kvs=0.936，Kvsi=0.388,在指令垂直速