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(yáng)2015300464 一、系統(tǒng)背景升降速度（或稱(chēng)作垂直速度）控制系統(tǒng)是現(xiàn)代自動(dòng)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(dòng)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(dòng)飛行控制系統(tǒng)的默認(rèn)模式，改變了以俯仰角自動(dòng)控制系統(tǒng)作為默認(rèn)模式的傳統(tǒng)。 從動(dòng)力學(xué)來(lái)看，對(duì)垂直速度的控制，若在飛行速度或空速不變的條件下，實(shí)際上就是對(duì)縱向軌跡角或者航軌跡角的控制，而對(duì)鬼計(jì)較的控制是飛機(jī)駕駛的最終目標(biāo)。從這一意義上來(lái)說(shuō)，垂直速度控制系統(tǒng)成為縱向自動(dòng)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(yùn)動(dòng)的操作實(shí)質(zhì)來(lái)說(shuō)，只能通過(guò)改

2、變俯仰角力矩來(lái)達(dá)到對(duì)垂直速度的是需要通過(guò)對(duì)俯仰角的控制來(lái)間接達(dá)到對(duì)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(lái)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(shí)際指的是飛機(jī)重心相對(duì)于地面坐標(biāo)軸方向的速度，但方向與方向相反。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可以得到垂直速度的線(xiàn)性方程 （1）其中，、為飛機(jī)平衡時(shí)的航跡傾角和速度 在實(shí)際中常用高度作為變量并以標(biāo)準(zhǔn)海平面作為測(cè)量基準(zhǔn)，平衡狀態(tài)時(shí)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(guò)俯仰角控制系統(tǒng)來(lái)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(yùn)動(dòng)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(jiǎn)系統(tǒng)： （7）式（7）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)垂直速度實(shí)施控制。同時(shí)根據(jù)負(fù)反饋的原則，需引入升降速度的反饋?zhàn)鳛榭刂破魃筛┭鼋琴|(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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)并不包含積分環(huán)節(jié)，將會(huì)場(chǎng)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(dòng)力學(xué)和俯仰角控制系統(tǒng)模型。在Kq=0.591和K=1.05時(shí)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(jì)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(jì)Kvs時(shí)，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(xiàn)如圖（1）所示圖（1）設(shè)計(jì)Kvs時(shí)，應(yīng)使得系統(tǒng)的主導(dǎo)復(fù)極點(diǎn)是欠阻尼的，這樣有利于Kvsi的選擇，并滿(mǎn)足閉環(huán)極點(diǎn)中仍存在一對(duì)主導(dǎo)復(fù)極點(diǎn)。如圖（1）所示，當(dāng)Kvs=0.936時(shí)，主導(dǎo)復(fù)極點(diǎn)的阻尼比0.601，震蕩模態(tài)是由復(fù)極點(diǎn)S1,2=1.3897±j1.8459決定的為了設(shè)計(jì)Kvsi，需要對(duì)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(kāi)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(kāi)環(huán)傳遞Gop進(jìn)行繪制，顯然滿(mǎn)足式（12）、式（13）在Kvsi變化時(shí)的根軌跡是一致的要求。傳遞函數(shù)為 （14）當(dāng)Kvsi變化時(shí)，其閉環(huán)根軌跡如圖（2）圖（2）由于Kvsi將決定積分器工作時(shí)的性能，因此將主動(dòng)復(fù)極點(diǎn)選擇在阻尼比為0.7處，此時(shí)Kvsi=0.388 當(dāng)Kvs=0.936，Kvsi=0.388,在指令垂直速