自动飞行控制系统(4)

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扰力矩作用下会出现稳态误差，这是比例式自动驾驶
仪系统结构所固有而无法完全消除的。
 如果在舵回路中去掉硬反馈(位置反馈)，保留速度反
馈，使舵偏角的角速度与俯仰角的偏差成正比，即可
消除稳态差。如上图所示。
4.1 自动驾驶仪的工作原理
 系统进入稳定状态时，其控制规律为：
 其中为单位俯仰角产生的舵偏转角速度。
 对两边求积分，并令初始条件=0，则
 即升降舵的舵偏角与俯仰角偏差的积分成比例。系统进入稳态后，靠
 的积分信号产生舵偏角，可使俯仰角的稳态误差为零。
 这种自动驾驶仪称为积分式自动驾驶仪，由于是舵回路速度反馈造成这种
积分关系，故亦称速度反馈式自动驾驶仪，或称软反馈式自动驾驶仪。
 为保持系统的稳定，必须引入俯仰角速度信号起微分作用，则控制
规律变为：

 为使稳定飞机的动态性能更好，还希望舵偏角在相位上超前俯仰角偏离，
因此在控制律中引入俯仰角加速度信号，因而：

 对上式两边求积分，系统控制规律为：

 由自动控制原理可知，这是一个典型的PID控制。
.
 e  L (   g )
( ) e g L d t          
.
. .
( ) e g L L 

      
.. 
. . .
. . . .
( ) e g L L L 
 
             
. . .
.
( ) ( ) e g g L d t L L 
 
                 
.. L

L
( ) g   
.

4.1 自动驾驶仪的工作原理
 将上式与比例式自动驾驶仪控制规律比较可知，积分式
自动驾驶仪中的角速率信号项是俯仰角稳定
信号，它形成正比于俯仰偏离的升降舵偏角，用以纠正
俯仰角偏差；角加速度信号项则是阻尼信号，它引
起的升降舵的偏转量与俯仰角速度成比例，用以补偿飞
机自然阻尼的不足，减小飞机的振荡与超调；而俯仰角
偏差信号的积分项引起的升降舵偏转量与
俯仰角偏离的积分成比例，其作用是自动消除稳定状态
下由常值干扰引起的俯仰角稳态误差和操纵状态下俯仰
角稳态误差。
. ( ) g L

  
..
.
L

 
( ) g L dt     
4.1 自动驾驶仪的工作原理
 积分式自动驾驶仪是如何消除稳态误差的呢?
 在稳定状态下，当飞机受到俯仰常值干扰时，自动驾驶仪
控制飞机的运动必须形成一定的舵偏角用来产生稳定力矩
以平衡干扰力矩，飞机的俯仰角才能得以稳定。这个舵偏
角的产生在比例式自动驾驶仪中是由俯仰角偏差来换取
的，因而产生俯仰角稳态误差。在积分式自动驾驶仪中，
它是由俯仰偏差的积分信号作用的结果。当飞机存在俯仰
角偏差时，舵面以一定的角速度运动，使舵偏角不断增
大，一直到舵偏角产生的稳定力矩达到能平衡干扰力矩时
为止。这时，俯仰角偏差为零，舵机停止转动，舵偏角保
持不变。所以积分式自动驾驶仪不存在稳态误差。
4.1 自动驾驶仪的工作原理
4.1.3 自动驾驶仪的常见工作方式
 通常，飞机的自动驾驶仪有俯仰、航向和倾斜三个控
制通道，每个通道由相应的控制舵面控制，但在倾斜
和航向间常常有交联信号。所以在设计自动驾驶仪时
常将纵向和横、侧向分开进行。纵向自动驾驶仪功能
可以稳定与控制飞机的俯仰角、高度、速度等；横侧
向驾驶仪可以稳定与控制飞机的航向角、倾斜角、偏
航距离等。控制飞机的这些不同变量，就对应了驾驶
仪不同的工作方式。根据所控制的状态量，可以完成
姿态(俯仰角和倾斜角)保持、高度保持、航向保持、
自动改平、复飞等功能。目前在大多数飞机上，偏航
轴上主要利用方向舵进行偏航阻尼控制，因而自动驾
驶仪就只有倾斜通道和俯仰通道了。
4.1 自动驾驶仪的工作原理
 当自动驾驶仪衔接时，通常以两种常见形式衔接，即指令
CMD(COMMAND)方式和驾驶盘操作CWS(CONTROL WHEEI STEERING)方
式。
 当自动驾驶仪以驾驶盘操纵方式（CWS）衔接时，自动驾驶仪的作
用原理是：驾驶盘上驾驶员的操作量作为输入指令，被转换成电
信号后，送到自动驾驶仪的核心计算机——飞行控制计算机FCC，
FCC再通过舵回路(即输出信号去控制自动驾驶仪的执行机构一液
压作动器或称舵机)带动舵面运动，这时自动驾驶仪仅响应驾驶员
的操纵或保持飞机的现有姿态，相当于电传操纵飞机上的人工操
作。
 当自动驾驶仪通过MCP和FMC以指令CMD方式衔接时，纵向(俯
仰)通道和横侧向(倾斜)通道分别以不同的方式来工作，以实现对
飞机飞行轨迹的控制。
4.1 自动驾驶仪的工作原理
 由于不同飞机上安装的自动驾驶仪系统各不相同，所
以可能的俯仰通道的工作方式有：
　
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