1、自動駕駛儀系統2.1 自動駕駛儀的功能自動駕駛儀的基本功能可列舉如下：（1）自動保持三軸穩定，具體地說，及自動保持偏航角，俯仰角于 某一希望角度，傾斜角保持為零進行直線飛行（平直飛行，爬 高，下滑）。（2）駕駛員可以通過旋鈕或其他控制器給定任意航向或俯仰角，使 飛機自動改變航向并穩定于該航向，或使飛機上仰或下俯并保 持給定俯仰角。（3）自動保持飛機進行定高飛行。（4）駕駛員通過控制器操縱飛機自動爬高或俯沖，達到某一預定高 度，然后保持這一預定高度。上述所有基本功能都是指自動駕駛儀與飛機處于正常狀態的控制功 能。輔助功能如下：（1）一旦自動駕駛儀的舵機處于卡死或無法操作的狀態時， 應允許 駕駛員

2、具有超控的能力。（2）自動回零功能。 在投入自動駕駛儀之前， 飛機本身處于平直飛 行的配平狀態， 必須讓自動駕駛儀的反饋信息與測量元件的總 和信號回零，才能避免投入后形成誤動作。（3）BIT 功能。一種機內自檢測功能，在自動駕駛儀的部件及系統 中，可設置 BIT 檢測信號， 借以檢查某部件或全系統工作是否正常。這種檢查可在自動駕駛儀投入前進行。（4）Ma 數配平功能。飛機在跨聲速區，升降舵操縱特性有一個正梯度區，從而操縱特性不穩定，設立 Ma數配平系統控制水平 安定面，以改善其操縱特性。2.2 自動駕駛儀的分類 自動駕駛儀最常用的分類方法是按控制律來區分。 所謂控制律通 常是指自動駕駛儀輸出的

3、舵偏角與信號的靜動態函數關系。 按這種分 類方法，可分為比例式自動駕駛儀、 積分式自動駕駛儀和均衡式反饋 自動駕駛儀（比例加積分控制律的自動駕駛儀）三種。其次也可以按自動駕駛儀三種主要部件 （傳感器， 計算與放大元 件以及舵機）的能源來分，這時可以分為氣動式（早期應用過） ，氣 動液壓式，電動式以及電動液壓式。如果按處理信號， 實現控制律是采用連續信號， 還是中間經過數 字化再轉換成為模擬信號來區分，可以分為模擬式與數字式兩種。2.2.1 比例式自動駕駛儀以俯仰通道為例， 升降舵偏角增量與飛機俯仰角偏差成比例的自 動控制器稱為比例式自動駕駛儀。e=L (g）（產生控制力矩） 飛機（對兔一其工作

4、原理是：設飛機處于等速水平直線飛行狀態。受某干擾后， 出現俯仰角偏差=0 - 0 0 （0 0為初始俯仰角，假設為零）。垂 直陀螺儀測出偏差角，輸出與成比例的電壓信號，假設外加控制 信號為0,則經綜合裝置加到舵回路，舵回路的輸出驅動升降舵偏轉e，產生的氣動力矩使角逐漸減小。適當選擇參數 L ，可保 證時0,e也t0。如果存在常值力矩干擾Mf,飛機穩定后必然存在一個e抵消Mf的影響，所以會產生一個姿態角靜差。由控制規律可以得到姿態 角靜差的大小為：- g=Mf/ （Q0SI Cm e I L ）上式表明：有干擾力矩 Mf，俯仰角增量與要求的控制增量 0 g不再一致，出現的誤差（- A0 g）與干

5、擾力矩Mf成正比, 與傳遞系數L0成反比。增大L0可減小這一誤差。一階微分信號在比例式控制規律中的作用：（產生阻尼力矩）e=L （- g） +L由上式可見：（1）僅增大L :快速性好，系統震蕩增強，減小系統的阻尼，系統穩定性變差，系統的穩態誤差減小（ 2）僅增大 L ：增大系統的阻尼，減弱系統震蕩，系統快速性 變差，系統的穩定性變好。比例式自動駕駛儀： （1）當自動駕駛儀保持高度時，受到垂風干擾時，僅有姿態誤 差，沒有高度誤差；（2）受到常值力矩干擾時會有高度誤差；（ 3）在速度（斜波）輸入時有穩態誤差。2.2.2 積分式自動駕駛儀去掉硬反饋，保留速度反饋 ，使舵的偏轉角速度與俯仰角的偏 差成

6、正比， 則系統工作在穩定狀態時， 舵偏角與俯仰角偏離值的積分 成比例。 這種自動駕駛儀稱為積分式自動駕駛儀。是舵回路速度反 饋造成這種積分關系，故也稱速度反饋（軟反饋）式自動駕駛儀。積 分式 A/P 的優點是：可消除靜差。e=L j （- g） dt+L （- g） + L第一項的作用：產生控制力矩消除穩態誤差； 第二項的作用：產生控制力矩糾正姿態偏差； 第三項的作用：增大系統的阻尼。另一種積分式A/P:比例式A/P+角偏差積分信號。具有積分式控制規律的 A/P 工作在高度保持方式時：（ 1）在受到垂風干擾時只有姿態誤差，無高度誤差；（ 2）在受到常值力矩干擾時，無高度誤差。2.2.3 均衡式

7、反饋自動駕駛儀j + 1Ge()均衡式反饋是在引入舵機硬反饋的基礎上再加一個非周期環節 的正反饋。其中時間常數Te很大，為幾秒到幾十秒。在穩定與控制飛機角運動時，舵回路的動態過程時間僅零點幾 秒，舵回路中Te值大的非周期環節通路來不及產生明顯的反饋作用， 可認為是斷開的（故又名延遲正反饋）。整個系統仍工作在硬反饋式 狀態。逐漸進入穩態后，該通路的正反饋量越來越大，最終等于硬反 饋通路的負反饋量。2.3自動駕駛儀的基本組成為了保證自動駕駛儀的正常工作， 基本組成部件有如下三種：傳 感器，放大部件與舵機。為了實現所要求的控制律，放大部件實現信 號校正和綜合。在模擬式自動駕駛儀中，不可能進行十分復雜

8、的計算。 發展成為數字式自動駕駛儀后，具有很強計算功能的計算機，允許實 現更為完善的控制律，從而增加了一個計算機部件。在這同時，伺服 放大部件與舵機組合成為伺服作動系統。由于計算機功能很強，除完 成控制律的計算及按飛行狀態調參外， 同時還可兼顧機內檢測，甚至 故障檢測與報警等任務。 因此，計算機成為當代數字式自動駕駛儀中 十分重要的一個分系統。 此外，執行測量任務的傳感器部件諸如高度 差傳感器， 送出姿態信號的慣性陀螺平臺， 實際上也都是一些閉環系 統。由上可見，自動駕駛儀的基本組成部件為傳感器，計算機，伺服 放大器與舵機， 發展成為傳感器分系統， 計算機分系統以及伺服作動 分系統。2.4 自

9、動駕駛儀的輔助分系統自動駕駛儀投入前的人工定中心發展成為自動回零分系統 （自動 定中心分系統也叫同步系統） ；為了實現 BIT 功能還有 BIT 分系統， 這可能有兩種配置方案， 如果 BIT 功能基本主計算機實現， 則是被包 含于其他分系統的小系統。 此外還有自動配平分系統和安全保障分系 統。除上述分系統外， 還應有一個十分重要的部件就是操作臺 （或稱 為狀態選擇器，控制顯示器） 。它是駕駛員與自動駕駛儀交換信息的 主要手段。通過它，駕駛員可以發出操縱指令，如爬高，下滑，給定 航向，給定高度； 自動駕駛儀給駕駛員提供飛行狀態信息，故障報告 等。2.5 自動駕駛儀的工作原理 自動駕駛儀是一個典

10、型的反饋控制系統， 它代替駕駛員控制飛機 的飛行。假設要求飛機作水平直線飛行，駕駛員是如何控制飛機的 呢？飛機受干擾（如陣風）偏離原姿態（例如飛機抬頭） ，駕駛員用 眼睛觀察到儀表板上陀螺地平儀的變化， 用大腦作出決定， 通過神經 系統傳遞到手臂，推動駕駛桿使升降舵向下偏轉，產生相應的下俯力 矩，飛機趨于水平。駕駛員又從儀表上看到這一變化，逐漸把駕駛桿 收回原位，當飛機回到原水平姿態時，駕駛桿和升降舵面也回原位。以上過程示于圖1-1圖1-1從圖1-1看出，這是一個反饋系統，及閉環系統。圖中虛線表示 駕駛員，如果用自動駕駛儀代替駕駛員控制飛機飛行，自動駕駛儀必須包括與虛框內三個部分相應的裝置，并

11、與飛機組成一個閉環系統， 如圖1-2所示。自動飛行的原理如下：飛機偏離原始狀態，敏感元件感受到偏離 方向和大小，并輸出相應信號，經放大，計算處理，操縱執行機構（如 舵機），使控制面（例如升降舵面）相應偏轉。由于整個系統是按負 反饋原則連接的，其結果是使飛機趨向原始狀態。當飛機回到原始狀 態時，敏感元件輸出信號為零，舵機以及與其相連的舵面也回原位， 飛機重新按原始狀態飛行。由此可見， 自動駕駛儀中的敏感元件， 放大計算裝置和執行機構 可代替駕駛員的眼睛， 大腦神經系統與肢體， 自動地控制飛機的飛行。 這三部分時自動飛行控制系統的核心，即自動駕駛儀。 為改善多級的性能， 通常執行機構引入內反饋 （

12、將舵機的輸出反饋到 輸入端），形成隨動系統（或稱伺服回路） ，簡稱為舵回路。舵回路是 由舵機，放大器及反饋元件組成，如圖 1-3 虛線框圖內所示。反饋元 件包括測速機和 / 或位置傳感器。測速機測出多面偏轉的角速度，反 饋給放大器以增大舵回路的阻尼， 改善舵回路的性能， 位置傳感器將 舵面位置信號反饋到舵回路的輸入端， 使舵面偏轉角度與控制信號成 正比。有的舵回路沒有位置傳感器， 則舵面偏轉角速度與控制信號一 一對應。自動駕駛儀與飛機組成一個回路。 這個回路的主要功能時穩定飛 機的姿態， 或者說穩定飛機的角運動。 敏感元件用來測量飛機的姿態 角，由于該回路包含了飛機，而飛機的動態特性又隨飛行條

13、件（如速 度，高度等）而異。放大計算機裝置對各個傳感器信號的綜合計算， 即控制規律應滿足各個飛行狀態的要求， 并可以設置成隨飛行條件變 化的增益程序。=、）7、'放大器 舵機*舵面測速機*位置傳感器穩圖1-3如果用敏感元件測量飛機的重心位置，而飛機還包含的運動學環 節（表征飛機空間位置幾何關系的環節），這樣組成的控制回路，簡 稱制導回路。這個回路的主要功能是控制飛行軌跡， 如飛行高度的穩 定和控制。超聲速飛機問世后，飛行包線（飛行速度和高速的變化范圍）擴 大，飛機自身穩定性變壞。例如，飛機自身的阻尼力矩在高空因空氣 稀薄而減小，阻尼比下降致使飛機角運動產生強烈的擺動， 僅考駕駛 員控制

14、飛機較為困難。為解決這類問題，飛機上安裝了角速率陀螺， 迎角傳感器，法向加速度計等，它們和放大器，串聯舵機組成阻尼器 或增溫系統，進而引入駕駛員的桿力/桿位移傳感器信號，構成控制 增穩系統，可以增大阻尼，改善動穩定性，增穩和控制增溫系統還可 增加靜穩定性和改善操縱性。飛機上安裝了阻尼器和增穩系統， 就好 似成了一架穩定性能較好的新飛機。從控制回路的分析和設計上看，阻尼器或增穩系統是自動駕駛儀 （姿態角控制回路）的內回路。但是，從工作方式上看，阻尼器或增 穩系統與自動駕駛儀不同， 阻尼器從飛機起飛就投入工作， 這是駕駛 員仍然直接操縱飛機。 自動駕駛儀則在飛機完成空中配平 （指飛機力 矩的平衡和桿力的平衡）后，才能接入。此后駕駛員通過自動駕駛儀 操縱臺上旋鈕或側干操縱飛機。 增穩系統， 控制增穩系統工作時駕駛 員仍需直接參與， 不符合自動飛行的定義， 不屬于自動駕駛儀的功能 范圍。2.6 自動駕駛儀的接通和脫開 自動駕駛儀的適用范圍是除起飛以外的所有飛行階段。 當達到自 動駕駛儀的接通高度并滿足其他接通條件后， 按下自動駕駛儀的接通 電門即可接通自動駕駛儀。 有的自動駕駛儀能操縱飛機自動著陸