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1　绪论1

1.1　驾驶员还是自动驾驶仪？1

目录1

1.1.1 作为“飞行学员”的自动驾驶仪2

1.1.2 作为飞行管理者的驾驶员3

1.2　物理基础5

1.2.1 描述方法6

1.2.2 升力和阻力6

1.2.3 力矩平衡8

1.2.4 飞机的操纵9

1.2.5 动力装置10

1.2.6　风和大气紊流12

1.3.1 对称运动的方程15

1.3　过程数学模型15

1.3.2 近似方程16

1.3.3 方程分析18

1.3.4 飞行航迹方程19

1.4　飞行控制器设计的边界条件20

1.4.1 控制对象的特点20

1.4.2　控制的任务22

1.4.3 设计规范23

1.5　飞行控制系统的构成24

1.5.1 阻尼器（增稳系统）24

1.5.2　姿态控制器26

1.5.3　高度控制器27

1.5.4 弯曲航迹的自动控制引导28

1.5.5　输入控制（电传操纵）29

1.5.6 总的控制系统29

物理基础篇33

2　运动变量的定义33

2.1　符号33

2.2　飞行力学变量35

2.2.1 飞机相对地面的姿态的确定35

2.2.2　航迹速度矢量的确定36

2.2.3 空气动力学变量的确定38

2.2.4　描述风影响的角度40

2.2.5　运动学关系的简化描述41

2.2.6　速度方程41

2.2.7 转动角速度方程42

2.2.8　操纵偏角43

2.3　矢量微分法45

2.3.1 矢量对时间的微分法45

2.3.2　在一个场中的空间微分法46

2.3.3 穿场运动时的时间导数47

2.3.4 欧拉角和转动角速度之间的关系47

2.4　确定飞机位置的变量48

2.4.1 相对地面固定点的位置48

2.4.2　相对于规定航迹的位置50

2.5　飞机几何关系53

2.6　传感器位置的影响55

2.6.1　传感器偏差55

2.6.2 飞机转动的影响56

2.6.3 飞机上任意点的加速度矢量57

2.7　正负号定义58

3　外力和力矩60

3.1　空气动力的产生60

3.1.1 升力的产生62

3.1.2 空气动力阻力65

3.2　定常飞行的条件67

3.2.1 纵向运动的弹簧常数（“静稳定性”）67

3.2.2　尾翼的升力和力矩69

3.2.3　全机的升力和力矩71

3.2.4 侧向运动的弹簧常数（“静稳定性”）73

3.2.5 飞机的操纵74

3.3　对称飞行时空气动力的作用76

3.3.1 俯仰角速度的影响78

3.3.2　迎角变化的影响79

3.3.3 空速变化的影响80

3.3.4 升降舵偏转的影响80

3.4　非对称飞行时空气动力的作用81

3.4.1 侧滑角的影响81

3.4.2 侧滑角变化的影响84

3.4.3 滚转角速度的影响84

3.4.4　偏航角速度的影响85

3.4.5 副翼偏转的影响86

3.4.6 方向舵偏转的影响87

3.5　空气动力模型的补充和总结87

3.5.1 纵向运动和侧向运动的空气动力耦合87

3.5.2 地面效应87

3.5.3 弹性变形的影响88

3.5.4　发动机的影响90

3.5.5 系数和导数的分类90

3.6　航空喷气发动机92

3.6.1 推力的产生92

3.6.2　发动机模型96

3.6.3　发动机控制97

3.6.4 作为飞机运动控制装置的发动机98

4　风和紊流99

4.1　风模型100

4.1.1　风的形成100

4.1.2　风的模型化103

4.1.3　紊流的形成105

4.1.4　紊流模型106

4.2　风的运动和飞机运动的耦合107

4.2.1 风场对作为质点飞机的作用108

4.2.2 风梯度对有限大小飞机的作用112

4.2.3 作用在飞机上的紊流与空间和时间的关系115

4.2.4　德莱顿频谱117

4.2.5　紊流的仿真118

4.2.6　紊流的非定常作用120

过程数学模型篇122

5　非线性运动方程122

5.1　力和力矩方程的综合123

5.1.1 坐标系的选择123

5.1.2 列写方程123

5.2.1 移动速度的微分方程125

5.2　飞机运动的状态方程125

5.2.2　加速度和载荷系数126

5.2.3　位置（航迹）的微分方程127

5.2.4　进近航迹的简化描述127

5.2.5 转动角速度的微分方程129

5.2.6　姿态角的微分方程130

5.3　方程组的讨论130

5.4　定常飞行状态132

5.4.1 配平飞行状态计算的说明132

5.4.2　对称直线飞行133

5.4.3　水平协调转弯飞行134

6.1.1 三自由度航迹运动137

6.1　简化微分方程137

6　质点飞机的特性137

6.1.2　二自由度航迹运动138

6.2 能量研究和科尔哈默尔图140

6.3 飞机对操纵指令的响应143

6.3.1 空气动力工作点的变化143

6.3.2　低于最小阻力空速时的特性144

6.3.3 飞机对推力变化的响应146

6.4　飞机在风场中的响应特性148

6.4.1 顺风149

6.4.2　侧风149

6.4.3　下降风150

6.4.4　在加速风场中的特性151

7.1 限制假设152

7　线化状态方程152

7.1.1 欧拉项和变换矩阵的简化153

7.1.2　其它简化154

7.1.3　简化假设小结154

7.1.4　速度和位置微分方程155

7.1.5 转动角速度和姿态角微分方程155

7.1.6　风的微分方程155

7.2　方程的分组和变换156

7.2.1　几种状态变量的变换157

7.2.2 纵向运动和侧向运动的状态方程158

7.3　方程组的线性化159

7.3.1 线化的基本过程159

7.3.2　纵向运动方程的线化160

7.3.3 纵向运动的状态方程162

7.3.4　侧向运动方程的线化163

7.3.5 侧向运动的状态方程164

7.3.6 方程的数值变换165

7.3.7 方程的数值线化165

7.4　用信号流图描述方程166

7.4.1 信号流图的绘制167

8　飞机动力学特性分析170

8.1　状态方程的解170

8.1.1 状态方程的时域解170

8.1.2 数值仿真172

8.1.3 状态方程的拉普拉斯变换解174

8.1.4 稳定性176

8.1.5 线性方程组的解178

8.2　飞机的固有特性180

8.2.1 特征方程根的典型分布181

8.2.2 纵向运动和侧向运动的阶跃响应181

8.2.3 纵向运动和侧向运动的典型运动模态183

8.3　飞机的传递特性185

8.3.1 传递函数的计算185

8.3.2　边界值研究187

8.4　近似表达式188

8.4.1 短周期运动的近似189

8.4.2 沉浮运动的近似191

8.4.3　侧向运动的近似193

8.4.4 侧向运动的其它特性196

8.4.5　小结200

8.5　可控性研究201

8.5.1 纵向运动的操纵特性202

8.5.2　纵向运动的全通特性204

8.5.3　侧向运动的操纵特性206

8.5.4 飞机对扰动信号的响应206

8.5.5　小结212

控制器设计的边界条件篇215

9　测量方法和传感器215

9.1 状态变量和输出变量的可测量性217

9.1.1 可测量量的组成217

9.1.2 测量误差218

9.1.3　测量动力学219

9.1.4　可靠性观点220

9.2.1 气压高度221

9.2　空气动力学量221

9.2.2　垂直速度（上升速度表）222

9.2.3　空速和马赫数223

9.2.4　迎角和侧滑角224

9.2.5　大气数据计算机（ADC）224

9.3　惯性量225

9.3.1　加速度226

9.3.2　陀螺的工作原理227

9.3.3　角速度陀螺228

9.3.4　垂直陀螺（陀螺地平仪）229

9.4　方位（角）测量230

9.4.1 磁罗盘、磁阀230

9.4.2 航向陀螺、磁场支持的航向陀螺装置231

9.5　位置的确定232

9.5.1　定位原理234

9.5.2 无线电测高和雷达测高236

9.5.3　无线电测距（DME）236

9.5.4 自动无线电测向（无线电罗盘）236

9.5.5　UKW旋转式无线电信标（VOR和TACAN）237

9.5.6　远程定位方法238

9.5.7　卫星定位239

9.6　导航系统240

9.6.1　惯性导航（INS）240

9.6.2　仪表着陆系统（ILS，MLS）241

9.6.3　近期的发展243

9.7　纯化测量值的估计滤波器243

9.7.1　卡尔曼滤波器244

9.7.2　互补滤波245

10　飞机的操纵247

10.1　操纵元件247

10.1.1 常规操纵元件概述248

10.1.2　特殊使命的操纵元件249

10.2　操纵驱动装置252

10.2.1 电动执行机构254

10.2.2　液压执行机构255

10.2.3　电液阀256

10.3　操纵系统257

10.3.1　基本原理257

10.3.2 阻尼器辅助的手动操纵259

10.3.3 自动驾驶仪工作时的操纵260

10.3.4 电传操纵（Fly-by-Wire）261

10.3.5 可靠性观点262

11　控制的任务和设计目标267

11.1　一般的观点268

11.1.1 评价准则268

11.1.2　任务谱269

11.1.3 规范和标准272

11.2　飞行品质准则276

11.2.1 纵向运动276

11.2.2　侧向运动279

11.2.3　对控制精度的要求281

11.3　飞行航迹准则282

11.3.1 被控制变量和控制器结构282

11.3.3 机场终端区的控制285

11.3.2　标准—航线285

11.3.4　终端进近程序288

11.3.5　新近的发展291

11.4　品质要求的数学表达294

11.4.1 飞行力学295

11.4.2　扰动抑制296

11.4.3　航迹控制297

11.4.4 小结299

控制方法篇300

12　改变过程动态特性的控制器300

12.1　状态控制器的结构301

12.1.1 状态矢量反馈302

12.1.2　输出反馈305

12.1.3 动态调节因子308

12.1.4　全通特性的影响311

12.1.5　具有观测器的状态反馈313

12.2　多变量控制结构314

12.2.1 多变量系统的基本方程315

12.2.2 多变量系统的传递函数317

12.2.3　控制器设计的特点319

12.3　状态控制器的设计322

12.3.1 黎卡提设计方法323

12.3.2　极点预置324

12.3.3 极点范围预置325

12.3.4　特征结构预置326

12.3.5　鲁棒控制328

12.4　控制器适配333

12.4.1 变结构控制器334

12.4.2 自适应控制334

13　用于过程引导的控制器结构338

13.1 稳态精度的控制结构338

13.1.1　具有状态矢量反馈的控制回路的稳态特性338

13.1.2 输入控制矩阵的引入340

13.1.3　用Ⅰ-控制器扩展状态矢量反馈342

13.1.4　接通扰动变量345

13.1.5 串联控制346

13.2　引导控制器的设计347

13.2.1　全局黎卡提设计348

13.2.2　数值优化349

13.2.3　性能指标351

13.2.4　顺序控制回路设计355

13.3　线性模型跟踪控制360

13.3.1　模型跟踪条件361

13.3.2 广义状态矢量反馈的模型跟踪364

13.3.3　参数变化的影响365

13.3.4　控制矩阵奇异时子过程的模型跟踪367

13.3.5　实际设计方法368

飞行控制器结构篇372

14　飞行品质的改善372

14.1　有效反馈的选择373

14.1.1 短周期运动的改进373

14.1.2　沉浮运动的改进375

14.1.3　荷兰滚运动的改进376

14.1.4　滚转运动的改进378

14.2　纵向运动基本控制器380

14.2.1　俯仰阻尼器380

14.2.2 俯仰阻尼器对飞行状态的适配382

14.2.3　扰动抑制措施384

14.2.4　俯仰姿态控制386

14.2.5　俯仰配平387

14.3　侧向运动基本控制器388

14.3.1 偏航阻尼器389

14.3.2 转弯协调390

14.3.3 扰动抑制措施391

14.3.4　滚转姿态控制392

15.1　新型控制任务的特征395

15　飞行范围边界的扩展395

15.2　阵风载荷减缓397

15.2.1 阻尼器功能的扩展397

15.2.2　模型扩展398

15.2.3　接通扰动量400

15.2.4　振动阻尼401

15.3　通过直接力操纵提高机动性402

15.3.1 力矩操纵的缺点403

15.3.2 直接力操纵的操纵策略404

15.3.3 用直接力操纵进行控制408

15.4　放宽稳定性410

15.4.1 飞行动力学关系410

15.4.2　运输类飞机放宽静稳定性412

15.5　使用边界的控制413

15.4.3 战斗机放宽静稳定性413

16　飞行航迹的稳定415

16.1　高度和垂直速度的控制416

16.1.1 高度控制器的结构416

16.1.2　具有状态反馈的高度控制器的设计418

16.1.3 高度控制器的工作方式419

16.1.4　垂直速度的控制420

16.2　空气动力状态的控制420

16.2.1 用升降舵作为调节元件的空速控制420

16.2.2 用推力控制空速（推力控制器）421

16.2.3 空速控制和高度控制之间的耦合423

16.2.4　迎角作为被控制变量424

16.3.1 有风影响时的航向控制427

16.3　对地飞行航线的控制427

16.3.2　航向控制器429

16.3.3　按VOR导航台的进场430

16.3.4　基准线控制432

16.4 自动着陆控制系统435

16.4.1 ILS—着陆程序435

16.4.2　进近终端的控制438

17　变化飞行航迹的控制引导440

17.1 纵向运动的综合航迹控制器440

17.1.1 航迹控制系统的结构442

17.1.2　推力的输入控制445

17.1.3 陡着陆控制器FRG 70446

17.1.4 组合航迹控制系统VGR 76448

17.1.5 变化风场中的能量控制器453

17.2　智能引导控制器455

17.2.1 引导过程的生成456

17.2.2　非线性输入控制459

17.2.3 规定状态的生成460

17.2.4 总的系统461

17.2.5　控制器SFB 212463

17.2.6　无矛盾边界控制465

17.3　规定轨迹的生成467

17.3.1 简单航迹机动的模型轨迹467

17.3.2　水平航迹机动469

17.3.3　航路点的连接470

17.3.4　垂直航迹机动473

17.3.5　4D—航迹控制474

17.4 飞行管理476

17.4.1 飞行管理的功能477

17.4.2　从飞行控制观点看飞行管理的任务478

17.4.3　发展问题480

18　手动飞行航迹控制引导482

18.1 作为驾驶员和控制器之间界面的显示器485

18.1.1　标准中央显示器485

18.1.2 航迹倾角和能量角的新型显示器488

18.1.3 飞行指引仪原理490

18.2　预置控制491

18.2.1 基本原理491

18.2.2 飞行品质预置控制器494

18.2.3　航迹引导预置控制器500

18.3.1 任务的提出507

18.3　空中飞行模拟507

18.3.2　方法和边界条件508

18.3.3　项目和结果510

总系统实际示例篇515

19　战斗机的控制系统515

19.1　基本控制器的布局515

19.1.1 一般的观点515

19.1.2　基本控制器的特点516

19.1.3 纵向运动的基本控制器517

19.1.4 侧向运动的基本控制器519

19.1.5 当基本配置为静不稳定时纵向运动的要求520

19.1.6 侧向运动的要求523

19.2　MRCA-Tornado的自动驾驶仪524

19.2.1 纵向运动的自动驾驶仪525

19.2.2 侧向运动的自动驾驶仪526

19.3　CCV-F104-G的控制器527

19.3.1 研究项目的目的527

19.3.2　控制器结构528

19.4　X31—A的控制系统532

19.4.1 控制方案532

19.4.2 非线性规定状态的生成533

19.4.3　控制器结构535

20　A320的控制系统537

20.1　操纵系统方案及计算机结构体系538

20.1.1　综述538

20.1.2　操纵系统概述540

20.1.3　安全性功能541

20.1.4 自动变换工作方式542

20.2　电传操纵控制规律543

20.2.1　俯仰轴543

20.2.2　滚转轴544

20.2.3　偏航轴545

20.2.4　纵向运动使用边界的控制546

20.2.5 侧向运动使用边界的控制548

20.3 自动驾驶仪功能548

20.3.1 纵向运动中自动驾驶仪的功能548

20.3.2　推力控制551

20.3.3　侧向运动自动驾驶仪的功能553

20.3.4　起飞和着陆时自动驾驶仪的功能555

A.1.1 线性状态方程559

附录559

A.1 飞机运动的数学模型559

A.1.2 飞机6自由度非线性方程组563

A.1.3 变换矩阵565

A.1.4 发动机线性模型566

A.2 飞行力学数据568

A.2.1 飞行状态、导数和等效参量568

A.2.2 状态矩阵、阶跃响应、伯德图574

A.3　量和常数605

A.4　缩写用语表607

A.5　符号说明609

参考文献611