飞行控制原理大作业

《飞行控制系统》课程实验报告班级 0314102学号 ********* 姓名孙旭东成绩南京航空航天大学2017年4月（一）飞机纵向飞行控制系统的设计与仿真1、分析飞机纵向动力学模态，求飞机的长周期与短周期阻尼与自然频率。

在MATLAB环境下导入数据文件，输入damp(alon),得出结果：Eigenvalue Damping Freq. (rad/s)-2.29e+000 + 4.10e+000i 4.88e-001 4.69e+000-2.29e+000 - 4.10e+000i 4.88e-001 4.69e+000-3.16e-002 1.00e+000 3.16e-002-7.30e-003 + 3.35e-002i 2.13e-001 3.42e-002-7.30e-003 - 3.35e-002i 2.13e-001 3.42e-002长周期的根为 -7.30e-003 + 3.35e-002i 和 -7.30e-003 - 3.35e-002i阻尼为 2.13e-001自然频率为 3.42e-002(rad/s)短周期的根为 -2.29e+000 + 4.10e+000i 和 -2.29e+000 - 4.10e+000i阻尼为 4.88e-001自然频率为 4.69e+000(rad/s)2、对升降舵及油门单位阶跃输入下的飞机自然特性进行仿真，画出相应的状态曲线。

sys=ss(alon,blon,clon,dlon)[y,t]=step(sys,500)subplot(221)plot(t,y(:,1,1))xlabel('t(s)')ylabel('\Deltau(m/s)')subplot(222)plot(t,y(:,1,2))xlabel('t(s)')ylabel('\Deltau(m/s)')subplot(223)plot(t,y(:,2,1))xlabel('t(s)')ylabel('\Delta\alpha(deg)')subplot(224)plot(t,y(:,2,2))xlabel('t(s)')ylabel('\Delta\alpha(deg)')200400600-10-505t(s)∆q (d e g /s )200400600-4-2024t(s)∆q (d e g /s )200400600-150-100-50050t(s)∆θ(d e g )0200400600-50050100t(s)∆θ(d e g )200400600-2000200400t(s)∆u (m /s )0200400600-6-4-2t(s)∆α(d e g )200400600-2000200400t(s)∆u (m /s )0200400600-2024t(s)∆α(d e g )subplot(221) plot(t,y(:,3,1)) xlabel('t(s)')ylabel('\Deltaq(deg/s)') subplot(222) plot(t,y(:,3,2)) xlabel('t(s)')ylabel('\Deltaq(deg/s)') subplot(223) plot(t,y(:,4,1)) xlabel('t(s)')ylabel('\Delta\theta(deg)') subplot(224) plot(t,y(:,4,2)) xlabel('t(s)')ylabel('\Delta\theta(deg)')subplot(121) plot(t,y(:,5,1)) xlabel('t(s)')ylabel('\Deltah(m)') subplot(122) plot(t,y(:,5,2)) xlabel('t(s)')ylabel('\Deltah(m)')2004006004t(s)∆h (m )200400600-2.5-2-1.5-1-0.54t(s)∆h (m )以上各图为升降舵及油门单位阶跃输入下的飞机自然特性行仿真，左边一列为升降舵的阶跃输入，右边一列为油门的阶跃输入。

飞行控制系统报告1. 引言飞行控制系统是飞机的核心组成部分之一，它负责飞机的姿态控制、导航控制、自动驾驶等功能，对飞机的飞行安全和性能至关重要。

本报告将对飞行控制系统的原理、结构和应用进行详细的介绍和分析。

2. 飞行控制系统原理飞行控制系统的基本原理是通过传感器获取飞机当前的状态信息，然后根据预设的飞行模式和飞行指令，通过控制算法和执行器来实现飞机的稳定飞行和精确控制。

飞行控制系统依靠飞行管理计算机（FMC）来进行整体的协调和控制。

3. 飞行控制系统结构飞行控制系统通常由三个重要的部分组成：飞行管理计算机（FMC）、飞行控制计算机（FCC）和执行器。

3.1 飞行管理计算机（FMC）飞行管理计算机（FMC）是飞行控制系统的核心，它负责对飞机进行全面的管理和控制。

FMC接收来自传感器的飞机状态信息，并根据预设的飞行计划和飞行指令来制定飞行控制策略，并将控制指令传递给飞行控制计算机（FCC）。

3.2 飞行控制计算机（FCC）飞行控制计算机（FCC）是飞行控制系统的核心计算单元，负责根据FMC提供的指令和飞机的状态信息，计算出合适的控制指令，并将其传递给执行器来实现飞机的动力控制和姿态控制。

3.3 执行器执行器是飞行控制系统的执行部分，它负责接收来自FCC的控制指令，并通过各种控制机构，如舵面、发动机推力等，来实现对飞机的控制。

4. 飞行控制系统的应用4.1 飞机稳定性和姿态控制飞行控制系统通过对飞机的姿态控制，可以使飞机保持平稳的飞行状态，提供稳定性和安全性。

4.2 飞行导航和自动驾驶飞行控制系统可以通过GPS导航系统，实现对飞机的导航控制，同时也可以实现自动驾驶功能，减轻驾驶员的工作负担。

4.3 飞机性能优化飞行控制系统可以通过精确的控制和调节，优化飞机的飞行性能，提高燃油效率，减少飞行阻力，提升飞机的速度和操纵性。

5. 飞行控制系统的发展趋势随着航空技术的不断发展，飞行控制系统也在不断创新和进步。

飞行动力学与控制大作业报告院（系）航空科学与工程学院专业名称飞行器设计学号学生姓名目录一．飞机本体动态特性计算分析 (2)1.1飞机本体模型数据 (2)1.2模态分析 (2)1.3传递函数 (3)1.4升降舵阶跃输入响应 (3)1.5频率特性分析 (5)1.6短周期飞行品质分析 (6)二．改善飞行品质的控制器设计 (7)2.1SAS控制率设计 (7)2.1.1控制器参数选择 (8)2.1.2数值仿真验证 (12)2.2CAS控制率设计 (13)三．基于现代控制理论的飞行控制设计方法 (16)3.1特征结构配置问题描述 (16)3.1.1特征结构的可配置性 (16)3.1.2系统模型 (16)3.2系统的特征结构配置设计 (17)3.2.1设计过程 (17)3.2.2具体的设计数据 (17)3.2.3结果与分析 (18)四．附录 (20)一． 飞机本体动态特性计算分析1.1飞机本体模型数据本文选取F16飞机进行动态特性分析及控制器设计，飞机的纵向状态方程形式如下：.x =Ax +Bu y =Cx (1.1)状态变量为：[]Tu q αθ=x控制变量为：e δ=u基准状态选择为120,2000V m s H m ==的定直平飞。

选取状态向量()Tu q αθ=x ,控制量为升降舵偏角，则在此基准状态下线化全量方程所得到的矩阵数据如下：-0.0312 -1.1095 -9.8066 -0.5083-0.0013 -0.6543 0 0.9185 0 0 0 1.00000 -0.3828 0 -0.6901⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦Α (1.2)[]-0.0167-0.0014-0.0956T=B(1.3)[]1.000057.295857.295857.2958diag =C(1.4)1.2模态分析矩阵A 的特征值算出为：1,23,4-0.6778 + 0.5926i-0.0100 + 0.0769iλλ==对应的特征向量如下：0.9874 0.9874 -1.0000 -1.0000 0.1137 - 0.0053i 0.1137 + 0.0053i 0.0011 - 0.0000i 0.0011 + 0.0000i 0.0521 - 0.0629i 0.0521 + 0.0629i 0.002=V 1 + 0.0078i 0.0021 - 0.0078i 0.0019 + 0.0735i 0.0019 - 0.0735i -0.0006 + 0.0001i -0.0006 - 0.0001i ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦由系统特征值可知，系统具有两对共轭复根，也即具有两种运动模态：长周期模态与短周期模态，其对应的模态频率及阻尼比如下：表一 飞机长短周期模态特征可以看出，在此飞行状态下，飞机纵向具有明显的长周期模态，但不具备明显的短周期的模态特征，模态频率过低，需要使用纵向增稳系统，改善阻尼比和自然频率。

综合设计1针对所给的飞机纵向简化运动模型，设计纵向增稳控制系统，给出系统原理结构框图，通过仿真验证其对阵风扰动的响应，阵风模型按GJB-185-86选取，扰动强度中等，扰动时间不小于15s 。

综合设计2利用上述运动模型，设计自动导航控制系统，实现下列自动飞行过程：自高度3000m ，速度400km/h 开始，以不小于-20deg 的航迹俯仰角俯冲增速，在500m 高度拉起并完成一个筋斗，之后恢复5000m 高度、500km/h 速度的飞行状态。

控制策略自行设计，最大过载不超过5g ，最大速度不超过650km/h 。

结果要求：给出原系统和增稳后的系统模态特性分析结果、控制系统设计结果及框图、所建仿真模型，绘制扰动稳定及飞行过程的过载、角速率、俯仰角、舵面、油门、高度、速度的时间历程曲线及飞行过程的垂直航迹。

飞机纵向简化运动模型：某飞机简化纵向运动方程：X AX BU =+g ,Y CX DU =+控制向量：[]T eT U δδ=，是升降舵偏角、油门调节；状态向量：[]T X Vq αθ=∆∆∆，分别是空速、迎角、俯仰速率、俯仰角；输出向量：[]Tz Y V q n αθγ=∆∆∆∆∆，分别是空速、迎角、俯仰速率、法向过载、俯仰角、航迹俯仰角。

440.035750.01600.1710.00210.051100.00390.1590.35700010A ⨯--⎡⎤--⎢⎥=⎢⎥--⎢⎥⎣⎦420 1.220.1432502.13206000B ⨯⎡⎤-⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎣⎦641000010000100.02049 5.03390.55959000010101C ⨯⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦620000000.441600000D ⨯⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦。

直升机飞行操控的基本原理图 1 直升机飞行操纵系统- 概要图（a）（b）图2 直升机操纵原理示意图1.改变旋翼拉力的大小2.改变旋翼拉力的方向3.改变尾桨的拉力飞行操纵系统包括周期变距操纵系统、总距操纵系统和航向操纵系统。

如图2所示，周期变距操纵系统控制直升机的姿态（横滚和俯仰），总距操纵系统控制直升机的高度，航向操纵系统控制直升机的航向。

一、周期变距操纵系统周期操纵系统用于操纵旋翼桨叶的桨距周期改变。

当桨距周期改变时，引起桨叶拉力周期改变，而桨叶拉力的周期改变，又引起桨叶周期挥舞，最终使旋翼锥体相对于机身向着驾驶杆运动的方向倾斜，从而实现直升机的纵向（包括俯仰）及横向（包括横滚）运动。

纵向和横向操纵虽然都通过驾驶杆进行操纵，但二者是各自独立的。

周期变距操纵系统（见图3）包括右侧和左侧周期变距操纵杆（1）和（3）、可调摩擦装置（2）、橡胶波纹套（4）、俯仰止动件（5）、横滚连杆（7）、俯仰连杆（8）、横滚止动件及中立位置定位孔（9）、横滚拉杆（10）、横滚协调拉杆（11）、俯仰扭矩管轴组件（12）、总距拉杆（13）、与复合摇臂相连接的拉杆（14）、伺服机构（15）、伺服机构（横滚+总距）（16）、伺服机构（俯仰+总距）（17）和可调拉杆（18）等组件。

1.右侧周期变距操纵杆3.左侧周期变距操纵杆2.可调摩擦装置4.橡胶波纹套5.俯仰止动件6.复合摇臂 7.横滚连杆8.俯仰连杆9.横滚止动件及中立位置定位孔10.横滚拉杆11.横滚协调拉杆12.俯仰扭矩管轴组件13.总距拉杆14.与复合摇臂相连接的拉杆15.伺服机构16.伺服机构（横滚+总距）17.伺服机构（俯仰+总距）18.可调拉杆图 3 直升机周期变距操纵系统（一）纵向操纵情况当前推驾驶杆时，通过俯仰扭矩管轴组件（9）及俯仰连杆（8），使复合摇臂（6）上的纵向摇臂逆时针转动，通过其后的拉杆、摇臂，使左前侧纵向伺服机构下移，自动倾斜器固定盘向左前方倾斜，旋翼桨盘前倾，进而使直升机向前运动。

综合设计1：针对所给出的飞机纵向简化运动模型，设计纵向增稳控制系统，给出系统原理结构，并对增加控制系统前后的纵向品质特性进行对比分析，并通过仿真验证阶跃和脉冲操纵输入响应。

1纵向方程[∆V ∆α̇∆θq̇][−0.020244−0.8761−2.5373E −4−1.0189−0.32169−0.650200.90484007.9472E −11−2.4982010−1.3861][∆V ∆α∆θq ]+[0 1.22−4.132060−0.14325000][δe δT]2纵向模态分析 2.1 飞行品质要求根据品质规范GJB 185-86 有人驾驶飞机（固定翼）飞行品质的要求：根据飞行品质要求对短周期的指标进行限定，要求如表2.2：表2.1 长短周期模态参数范围表2.1 纵向特征值由特征值可以看到，不论是短周期还是长周期，都是具有负实部的特征根，因而短周期和长周期都是稳定收敛的，并且满足前述飞行品质要求。

2.3 稳定性分析根据所得到的4个具有负实部的特征值知，该系统为稳定的。

现根据系统根轨迹来判断其稳定性。

以速度—升降舵传递函数为例：上图为其开环传递函数根轨迹图。

由图可以看出，所有四个极点均位于纵轴的左侧区域，说明该系统确实稳定。

2.3系统原理结构图图示为方向舵变化脉冲输入、油门变化零输入时的仿真系统结构。

3仿真验证3.1升降舵阶跃响应曲线状态及输出量相对于升降舵通道的阶跃宽度为1s，幅值1∘的响应曲线如下。

从图中可以看出在阶跃信号作用下，各输出变量一开始均有一个阶跃值，随着时间的增加，各个输出量逐渐趋于稳定状态。

飞机纵向运动短周期和长周期均是稳定的。

3.2升降舵脉冲响应曲线状态及输出量相对于升降舵通道的脉冲宽度为1s，幅值1的响应曲线如下。

综合设计2：利用上述运动模型，设计自动导航控制系统，实现下列自动飞行过程：自高度3000m，速度600km/h开始，以不小于-10deg的航迹俯仰角俯冲增速，在500m高度拉起并完成1个筋斗，之后恢复3000m高度、600km/h速度的飞行状态，控制策略自行设计。

无人机飞行控制系统原理Unmanned aerial vehicles (UAVs), more commonly known as drones, have become increasingly popular in recent years for both commercial and recreational use. 无人驾驶飞行器（UAV），更常被称为无人机，在近年来越来越受欢迎，无论是商业还是娱乐用途。

One of the key components of a drone is its flight control system, which is responsible for maintaining the stability and control of the aircraft while in flight. 无人机的关键组成部分之一是飞行控制系统，它负责在飞行过程中保持飞机的稳定性和控制。

The flight control system of a drone is typically made up of several components, including the flight controller, inertial measurement unit (IMU), GPS module, and motor controllers. 无人机的飞行控制系统通常由多个组件组成，包括飞行控制器、惯性测量单元（IMU）、GPS 模块和电机控制器。

The flight controller is the "brain" of the drone, receiving input from the pilot or autopilot system and sending commands to the motor controllers to adjust the aircraft's flight attitude and altitude. 飞行控制器是无人机的“大脑”，接收来自飞行员或自动驾驶系统的输入，并向电机控制器发送命令，以调整飞机的飞行姿态和高度。

中飞院飞行原理题库
中飞院飞行原理题库可能涉及多方面的知识，以下是其中一些可能的题目：
1. 飞机的升力是如何产生的？
2. 什么是飞机的展弦比、弯度和机翼面积？
3. 飞机的焦点是什么？
4. 迎角对飞机升力的影响是什么？
5. 如果迎角超过临界迎角，飞机会有怎样的表现？
6. 如何使飞机具有纵向静态稳定性？
7. 飞机的重量和诱导阻力有何关系？
8. 以有利迎角对应的速度平飞，飞机的什么最小？
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一、飞行原理飞机在空气中运动时，是靠机翼产生升力使飞机离陆升空的。

机翼升力是怎样产生的呢？这首先得从气流的基本原理谈起。

在日常生活中，有风的时候，我们会感到有空气流过身体，特别凉爽；无风的时候，骑在自行车上也会有同样的体会，这就是相对气流的作用结果。

滔滔江水，流经河道窄的地方时，水流速度就快；经过河道宽的地方时，水流变缓，流速较慢。

空气也是一样，当它流过一根粗细不等的管子时，由于空气在管子里是连续不断地稳定流动，在空气密度不变的情况下，单位时间内从管道粗的一端流进多少，从细的一端就要流出多少。

因此空气通过管道细的地方时，必须加速流动，才能保证流量相同。

由此我们得出了流动空气的特性：流管细流速快；流管粗流速慢。

这就是气流连续性原理。

实践证明，空气流动的速度变化后，还会引起压力变化。

当流体稳定流过一个管道时，流速快的地方压力小。

流速慢的地方压力大。

飞机在向前运动时，空气流到机翼前缘，分为上下两股，流过机翼上表现的流线，受到凸起的影响，使流线收敛变密，流管（把两条临近的流线看成管子的管壁）变细；而流过下表面的流线也受凸起的影响，但下表面的凸起程度明显小于上表面，所以，相对于上表面来说流线较疏松，流管较粗。

由于机翼上表面流管变细，流速加快，压力较小，而下表面流管粗，流速慢，压力较大。

这样在机翼上、下表面出现了压力差。

这个作用在机翼各切面上的压力差的总和便是机翼的升力（见图）。

其方向与相对气流方向垂直；其大小主要受飞行速度、迎角（翼弦与相对气流方向之间的夹角）、空气密度、机翼切面形状和机翼面积等因素的影响。

当然，飞机的机身、水平尾翼等部位也能产生部分升力，但机翼升力是飞机升空的主要升力源。

飞机之所以能起飞落地，主要是通过改变其升力的大小而实现的。

这就是飞机能离陆升空并在空中飞行的奥秘。

二、飞机的主要组成部队及其功用自从世界上出现飞机以来，飞机的结构形式虽然在不断改进，飞机类型不断增多，但到目前为止，除了极少数特殊形式的飞机之外，大多数飞机都是由下面六个主要部分组成，即：机翼、机身、尾翼、起落装置、操纵系统和动力装置。

直升机飞行操控的基本原理图 1 直升机飞行操纵系统- 概要图（a）（b）图2 直升机操纵原理示意图1.改变旋翼拉力的大小2.改变旋翼拉力的方向3.改变尾桨的拉力飞行操纵系统包括周期变距操纵系统、总距操纵系统和航向操纵系统。

如图2所示，周期变距操纵系统控制直升机的姿态（横滚和俯仰），总距操纵系统控制直升机的高度，航向操纵系统控制直升机的航向。

一、周期变距操纵系统周期操纵系统用于操纵旋翼桨叶的桨距周期改变。

当桨距周期改变时，引起桨叶拉力周期改变，而桨叶拉力的周期改变，又引起桨叶周期挥舞，最终使旋翼锥体相对于机身向着驾驶杆运动的方向倾斜，从而实现直升机的纵向（包括俯仰）及横向（包括横滚）运动。

纵向和横向操纵虽然都通过驾驶杆进行操纵，但二者是各自独立的。

周期变距操纵系统（见图3）包括右侧和左侧周期变距操纵杆（1）和（3）、可调摩擦装置（2）、橡胶波纹套（4）、俯仰止动件（5）、横滚连杆（7）、俯仰连杆（8）、横滚止动件及中立位置定位孔（9）、横滚拉杆（10）、横滚协调拉杆（11）、俯仰扭矩管轴组件（12）、总距拉杆（13）、与复合摇臂相连接的拉杆（14）、伺服机构（15）、伺服机构（横滚+总距）（16）、伺服机构（俯仰+总距）（17）和可调拉杆（18）等组件。

1.右侧周期变距操纵杆3.左侧周期变距操纵杆2.可调摩擦装置4.橡胶波纹套5.俯仰止动件6.复合摇臂 7.横滚连杆8.俯仰连杆9.横滚止动件及中立位置定位孔10.横滚拉杆11.横滚协调拉杆12.俯仰扭矩管轴组件13.总距拉杆14.与复合摇臂相连接的拉杆15.伺服机构16.伺服机构（横滚+总距）17.伺服机构（俯仰+总距）18.可调拉杆图 3 直升机周期变距操纵系统（一）纵向操纵情况当前推驾驶杆时，通过俯仰扭矩管轴组件（9）及俯仰连杆（8），使复合摇臂（6）上的纵向摇臂逆时针转动，通过其后的拉杆、摇臂，使左前侧纵向伺服机构下移，自动倾斜器固定盘向左前方倾斜，旋翼桨盘前倾，进而使直升机向前运动。

飞机飞行操纵系统实验报告教师：于黎明班级：130326姓名：xxx学号：130312xx一、飞机操纵系统传动机构的发展历史1、简单机械操纵系统驾驶员通过机械传动装置直接偏转舵面，舵面上的气动铰链力矩通过机械传动装置使驾驶员获得力和位移的感觉。

机械传动装置直接带动舵面，有软式和硬式两种基本型式。

软式传动装置由钢索和滑轮组成，特点是重量轻，容易绕过障碍，但是弹性变形和摩擦力较大。

硬式传动装置由传动拉杆和摇臂组成，优点是刚度大，操纵灵活。

软式和硬式可以混合使用。

2、可逆助力操纵系统在大型高速飞机上，舵面上的气动铰链力矩很大，虽然用气动补偿的方法可以减小力矩，但很难在高低速范围内达到同样效果。

40年代末出现了液压助力系统，舵面由液压助力器驱动，驾驶员通过中央操纵机构、机械传动装置控制助力器的伺服活门，间接地使舵面偏转。

它同时通过杠杆系统把舵面一部分气动载荷传给中央操纵机构，使驾驶员获得操纵力的感觉,构成所谓“机械反馈”,这就是可逆助力操纵系统。

3、不可逆助力操纵系统可逆助力操纵系统虽可解决杆力过大的问题，但在超音速飞机上还会出现杆力反向变化的问题。

由于杆力反向变化，会使驾驶员产生错觉而无法正确驾驶飞机。

为此，须把可逆助力操纵系统中的机械反馈取消，即舵面气动载荷全部由液压助力器承受。

为了使驾驶员获得操纵力感觉，在系统中增加了人工载荷机构（通常是弹簧的）以及其他改善操纵特性的装置,形成不可逆助力操纵系统。

在高空超音速飞行时，由于空气密度减小，飞机容易发生频率很高的俯仰和横侧振荡，驾驶员来不及作出反应。

为了克服振荡，在超音速飞机上普遍安装自动增稳装置，如俯仰阻尼器和方向阻尼器等。

4、电传操纵系统靠电信号传递飞行员的操纵指令，提高了响应速度性，并减轻了重量和体积。

消除了机械传动结构的非线性因素，改善了机械操纵直接固定在机体上面而引起的人机诱发振荡，改善了飞机的操纵品质，对飞机的结构变化的影响不敏感，可以降低和减少维护工作量以及更容易与自动飞行控制系统相结合。