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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

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