民航客機飛控系統(tǒng)的工作原理

飛控系統(tǒng)到底是什么?為什么一個小小的代碼錯誤會導(dǎo)致這么嚴(yán)重的后果?下面，就由小編來帶你作進一步的深入了解。

實際上，現(xiàn)代民用飛機飛行控制系統(tǒng)(簡稱“飛控”)，是整個飛機機載系統(tǒng)的核心，也是整架飛機最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。

飛行控制系統(tǒng)的作用是保證飛機的穩(wěn)定性和操縱性，提高飛機飛行性能和完成任務(wù)的能力，增強飛行的安全性和減輕駕駛員的工作負擔(dān)。飛控系統(tǒng)分為人工飛行控制系統(tǒng)和自動飛行控制系統(tǒng)兩大類。由駕駛員通過對駕駛桿和腳蹬的操縱實現(xiàn)控制任務(wù)的系統(tǒng)，稱為人工飛行控制系統(tǒng)。最簡單的人工飛行控制系統(tǒng)就是機械操縱系統(tǒng)。不依賴于駕駛員操縱駕駛桿和腳蹬指令而自動完成控制任務(wù)的飛控系統(tǒng)，稱為自動飛行控制系統(tǒng)。

飛行控制系統(tǒng)的功能

隨著飛行任務(wù)的不斷復(fù)雜化，對飛機性能的要求越來越高，不僅要求飛行距離遠(例如運輸機)，高度高(高空偵察機)，而且還要求飛機有良好的機動性(例如戰(zhàn)斗機)。為了減輕駕駛員在長途飛行中的疲勞，或使駕駛員集中精力戰(zhàn)斗，希望用自動控制系統(tǒng)代替駕駛員控制飛行，并能改善飛機的飛行性能。這種系統(tǒng)就是現(xiàn)代飛機上安裝的飛行自動控制系統(tǒng)。

飛行控制系統(tǒng)的功能歸結(jié)起來有兩點：1、實現(xiàn)飛機的自動飛行;2、改善飛機的飛行性能。

飛機的自動飛行控制系統(tǒng)在無人參與的情況下，自動操縱飛機按規(guī)定的姿態(tài)和航跡飛行，通?？蓪崿F(xiàn)對飛機的三軸姿態(tài)角和飛機三個方向的空間位置的自動控制與穩(wěn)定。例如，無人駕駛飛行器(如無人機或?qū)椀?，實現(xiàn)完全的飛行自動控制;對于有人駕駛的飛機(如民用客機或軍用飛機)，雖然有人參與駕駛，但某些飛行階段(如巡航段)，駕駛員可以不直接參與操縱，而由飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)對飛機飛行的自動控制，但駕駛員應(yīng)完成對自動飛行指令的設(shè)置和監(jiān)督自動飛行的情況，并可以隨時切斷自動控制而實現(xiàn)人工駕駛。

采用自動飛行具有以下優(yōu)點：

1、長距離飛行時解除駕駛員的疲勞，減輕駕駛員的工作負擔(dān);

2、在一些惡劣天氣或復(fù)雜的環(huán)境下，駕駛員難于精確控制飛機的姿態(tài)和航跡，自動飛行控制系統(tǒng)可以精確對飛機姿態(tài)和航跡的精確控制;

3、有一些飛行操縱任務(wù)，駕駛員難于精確完成，如進場著陸，采用自動飛行控制則可以較好地完成任務(wù)。

一般來說，飛機的性能和飛行品質(zhì)是由飛機本身氣動特性和發(fā)動機特性決定的，但隨著飛機飛行高度及飛行速度的增加，飛機的自身特性將會變壞。如飛機在高空飛行時，由于空氣稀薄，飛機的阻尼特性變壞，致使飛機角運動產(chǎn)生嚴(yán)重的擺動，靠駕駛員人工操縱將會很困難。此外，設(shè)計飛機時，為了減小質(zhì)量和阻力，提高有用升力，將飛機設(shè)計成靜不穩(wěn)定的。對于這種靜不穩(wěn)定的飛機，駕駛員是難于操縱的。在飛機上采用增穩(wěn)系統(tǒng)或阻尼系統(tǒng)可以很好地解決這些問題。

飛控系統(tǒng)的發(fā)展歷史

自動飛行控制系統(tǒng)已有一百多年的研制歷史。1891年海諾姆·馬克西設(shè)計和建造的飛行器上就安裝了改善飛行器縱向穩(wěn)定性的飛行控制系統(tǒng)。

后來，直到二十世紀(jì)初，由于飛行器本身性能的不斷改善，而自動控制理論也處于發(fā)展初期，因此飛行器的自動控制發(fā)展緩慢;

二十世紀(jì)中期以后，隨著飛行任務(wù)的不斷復(fù)雜化，對飛行器性能要求越來越高，如希望運輸機飛行距離要遠，偵察機飛行高度要高，而戰(zhàn)斗機要有良好的機動性，希望飛機便于操縱，減輕飛行員的負擔(dān)，這就使自動控制成了不可回避的問題，這樣就出現(xiàn)了飛行控制系統(tǒng)。

1、1912：愛莫爾.斯派雷，電動陀螺穩(wěn)定裝置，自動駕駛儀誕生;

2、埃爾默?斯佩里后來又發(fā)明了陀螺羅盤、陀螺地平儀和側(cè)滑指示器等一系列飛行儀表，使飛行員可以在夜間和復(fù)雜氣象條件下，按儀表指示操縱飛機，對人類航空技術(shù)發(fā)展作出了突出的貢獻。

飛機操縱系統(tǒng)的第二次重大突破是電傳操縱系統(tǒng)的出現(xiàn)。電傳操縱系統(tǒng)真正使用于飛機，發(fā)生在20世紀(jì)70年代。在采用電傳操縱系統(tǒng)的飛機上，沒有了傳統(tǒng)的鋼索和連桿等機械傳動機構(gòu)，飛行員完全通過電信號來操縱飛機。

1975年，美國空軍在A-7D型飛機上試驗數(shù)字戰(zhàn)術(shù)飛行控制系統(tǒng)時，開始使用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸線。光纖技術(shù)和數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)相結(jié)合，產(chǎn)生了光傳操縱系統(tǒng)的概念。

50年代前自動駕駛儀用于運輸機和轟炸機的平飛。(飛機自動駕駛儀逐漸與機上其他裝置耦合以控制航跡(定高和自動下滑等)，既能穩(wěn)定飛機，又能全面控制飛機，直至全自動著陸。

60年代自動駕駛儀功能擴展成為飛行控制系統(tǒng)，產(chǎn)生了隨控布局飛行器設(shè)計新思想。

80年代已在研制把火控系統(tǒng)、推進裝置控制系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)集成為火/飛/推綜合控制系統(tǒng)，以使各系統(tǒng)協(xié)同工作，更完善地完成飛行任務(wù)。

飛控系統(tǒng)的組成

飛控系統(tǒng)由控制與顯示裝置、傳感器、飛控計算機、作動器、自測試裝置、信息傳輸鏈及接口裝置組成。

控制及顯示裝置是駕駛員輸入飛行控制指令和獲取飛控系統(tǒng)狀態(tài)信息的設(shè)備，包括駕駛桿、腳蹬、油門桿、控制面板、專用指示燈盤和電子顯示器(多功能顯示器、平視顯示器等)。

傳感器為飛控系統(tǒng)提供飛機運動參數(shù)(航向角、姿態(tài)角、角速度、位置、速度、加速度等)、大氣數(shù)據(jù)以及相關(guān)機載分系統(tǒng)(如起落架、機輪、液壓源、電源、燃油系統(tǒng)等)狀態(tài)的信息，用于控制、導(dǎo)引和模態(tài)轉(zhuǎn)換。

飛控計算機是飛控系統(tǒng)的“大腦”，用來完成控制邏輯判斷、控制和導(dǎo)引計算、系統(tǒng)管理并輸出控制指令和系統(tǒng)狀態(tài)顯示信息。

作動器是飛控系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，用來按飛控計算機指令驅(qū)動飛機的各種舵面、油門桿、噴管、機輪等，以產(chǎn)生控制飛機運動的力和力矩。

自測試裝置用于飛行前、飛行中、飛行后和地面維護時對系統(tǒng)進行自動監(jiān)測，以確定系統(tǒng)工作是否正常并判斷出現(xiàn)故障的位置。

信息傳輸鏈用于系統(tǒng)各部件之間傳輸信息。常用的傳輸鏈有電纜、光纜和數(shù)據(jù)總線。接口裝置用于飛控系統(tǒng)和其他機載系統(tǒng)之間的連接，不同的連接情況可以有多種不同的接口形式。

飛控系統(tǒng)的工作原理

人工駕駛飛機基本過程

如果飛機在平飛過程中，由于某中外界干擾使飛機抬頭，不在保持水平狀態(tài)。駕駛員從地平儀上觀察到這個姿態(tài)角(俯仰角)的變化，反映到大腦中，經(jīng)過思維判斷立即做出如何操縱飛機的決定，指揮手去推動駕駛桿，驅(qū)動升降舵向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相應(yīng)的下俯力矩，使飛機低頭恢復(fù)水平姿態(tài)。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(dāng)飛機回到原態(tài)(水平)時，駕駛桿和升降舵也回到原位。整個過程如圖所示。

這是一個反饋系統(tǒng)，即閉環(huán)系統(tǒng)。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線框內(nèi)三個部分相應(yīng)的裝置，并與飛機組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

自動飛行的原理

當(dāng)飛機偏離原始狀態(tài)，敏感元件感受到偏離方向和大小，并輸出相應(yīng)信號，經(jīng)放大、計算處理，操縱執(zhí)行機構(gòu)(如舵機)，使控制面(例如升降舵面)相應(yīng)偏轉(zhuǎn)。由于整個系統(tǒng)是按負反饋原則連接的，其結(jié)果使飛機趨向原始狀態(tài)。當(dāng)飛機回到原始狀態(tài)時，敏感元件輸出信號為零，舵機以及與其相連接的舵面也回到原位，飛機重新按原始狀態(tài)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(zhí)行機構(gòu)可代替駕駛員的眼睛、大腦神經(jīng)系統(tǒng)和肢體，自動地控制飛機的飛行。這三部分是自動飛行控制系統(tǒng)的核心，即自動駕駛儀。

為改善舵機的性能，通常執(zhí)行機構(gòu)引入內(nèi)反饋(將舵機的輸出反饋到輸入端)形成隨動系統(tǒng)(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，如圖虛線框內(nèi)所示。

反饋元件包括測速機和/或位置傳感器。測速機測出舵面偏轉(zhuǎn)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反饋到舵回路的輸入端，使控制信號與舵面偏角一一對應(yīng)。舵回路的負載是舵面的慣量和作用在舵面上的氣動力矩(鉸鏈力矩)。

自動駕駛儀與飛機組成一個回路——通常稱為穩(wěn)定回路。這個回路的主要功能是穩(wěn)定飛機的姿態(tài)，或者說穩(wěn)定飛機的角運動。敏感元件用來測量飛機的姿態(tài)角。由于該回路中，包含了飛機，而飛機的動態(tài)特性又隨飛行條件(如速度、高度等)而異，使穩(wěn)定回路的分析變得較復(fù)雜。

如果用敏感元件測量飛機的重心位置，而飛機還包含了運動學(xué)環(huán)節(jié)(表征飛機空間位置幾何關(guān)系的環(huán)節(jié))，這樣組成一個更大的新回路，控制回路(或控制與導(dǎo)引回路，簡稱制導(dǎo)回路)。

以飛機自動下滑著陸系統(tǒng)為例，說明控制原理。這里只說飛機的縱向(俯仰、上下和前后)運動。要求飛機在著地前沿預(yù)定航跡下滑到預(yù)定高度(十幾米)，然后將飛機拉平，飛機不斷下降，最終以允許的下降速率著陸。預(yù)定的下滑航跡是由機場的無線電裝置形成的。

飛機處于預(yù)定下滑航跡，飛機上相應(yīng)的無線電接收機輸出信號為零。飛機偏離下滑航跡，接收輸出相應(yīng)極性和幅值的信號，送至穩(wěn)定回路，在自動駕駛儀的控制下飛機回到下滑航跡。例如飛機在預(yù)定下滑航跡的上方，接收機將某極性的信號送給自動駕駛儀使升降舵下偏，產(chǎn)生低頭控制力矩，使飛機進入下滑航跡。飛機進入下滑航跡后，接收機輸出為零，舵偏角為零，飛機保持在下滑航跡上。飛機重心的運動(即空間位置的變化)是通過控制飛機角運動來實現(xiàn)的。

自動飛行控制系統(tǒng)的組成

自動飛行控制系統(tǒng)由自動駕駛儀、自動油門桿系統(tǒng)、自動導(dǎo)航系統(tǒng)、自動進場系統(tǒng)和自動著陸系統(tǒng)、自動地形跟隨/回避系統(tǒng)構(gòu)成。

自動駕駛儀

顧名思義，自動駕駛儀是用來代替駕駛員操縱飛機的自動控制系統(tǒng)。它由控制顯示面板、傳感器、自動駕駛儀計算機和舵面作動器組成。

自動駕駛儀的傳感器信息主要來自航空電子系統(tǒng)的航向/姿態(tài)參考基準(zhǔn)、高度和高度差信號。它的主要功能是航向角、姿態(tài)角的給定和保持以及飛行高度(包括氣壓高度和相對高度)的給定和保持。在長時間的穩(wěn)定飛行(如巡航)中使用自動駕駛儀控制飛機，可以大大減輕駕駛員的工作負擔(dān)。

自動油門桿系統(tǒng)

自動油門桿系統(tǒng)是一種經(jīng)常與自動駕駛儀配合使用的系統(tǒng)。它通過驅(qū)動油門桿改變發(fā)動機推力而對飛機的飛行速度(或馬赫數(shù))進行自動控制。

系統(tǒng)使用的傳感器信息是大氣數(shù)據(jù)計算機的飛行速度(或馬赫數(shù))信號。一般不具備獨立的計算機而由自動駕駛儀計算機完成控制律計算。執(zhí)行機構(gòu)是油門桿作動器。自動油門桿與自動駕駛儀配合工作，可以精確控制飛機的航跡、姿態(tài)及飛行速度。這對于飛機的自動進場/著陸、自動地形跟隨/回避以及四維制導(dǎo)飛行，都起著非常重要的作用。

自動導(dǎo)航系統(tǒng)

自動駕駛儀與導(dǎo)航系統(tǒng)交聯(lián)，即構(gòu)成自動導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)通過總線或其他裝置(如飛行管理計算機)將飛機當(dāng)前的位置和航向偏差信號送入自動駕駛儀計算機，由自動駕駛儀計算機形成并輸出控制指令，將飛機的位置和航向調(diào)整到并保持在預(yù)先給定的航線上飛行。

自動著陸系統(tǒng)

著陸是飛行器航行中的一個重要階段。著陸時，飛行員必須在很短的時間內(nèi)完成許多要求很高的操作，若僅靠目視著陸，為保證安全，飛行員需要在很遠的距離上就能清晰的看到跑道。以民航飛機為例，要求在飛行高度不低于300m時，水平能見度不小于4.8km。為了保證飛機能在夜間或不良氣候條件下安全著陸，必須由無線電導(dǎo)航系統(tǒng)向飛行員提供飛行器與正確的下滑航道之間偏離程度的高精度指示。

常用的進場和著陸導(dǎo)引系統(tǒng)有儀表著陸系統(tǒng)、微波著陸系統(tǒng)和精密進場雷達/數(shù)據(jù)鏈導(dǎo)引系統(tǒng)等。20世紀(jì)90年代以來，基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的進場著陸導(dǎo)引技術(shù)發(fā)展迅速，將成為21世紀(jì)進場著陸導(dǎo)引系統(tǒng)的主流。自動著陸系統(tǒng)利用導(dǎo)引信號將飛機控制到預(yù)定航道，并沿著航道下滑和著陸。

目前民航機場主要使用的著陸無線電導(dǎo)航系統(tǒng)為儀表著陸系統(tǒng) (ILS，Instrument Landing System)和微波著陸系統(tǒng) (MLS，Microwave Landing System)。前者可引導(dǎo)飛機在I類氣象條件(水平能見度800m，決斷高度60m)或II類氣象條件(水平能見度400m，決斷高度30m)下著陸(稱為儀表著陸或盲目著陸);后者可引導(dǎo)飛機在III類氣象條件(水平能見度低于200m及其以下，決斷高度0m)下著陸(稱為自動著陸)。

對飛機自動著陸來說，儀表著陸和微波著陸系統(tǒng)都是使用非目視著陸引導(dǎo)設(shè)備，其基本原理都由機場上的儀表著陸和微波著陸系統(tǒng)在跑道上空形成下滑道，飛機上安裝了相應(yīng)的無線電接收機，當(dāng)飛機處于預(yù)定下滑道上時，接收機輸出信號為零;若飛機偏離下滑道，則接收機輸出相應(yīng)極性和幅值的信號。接收機輸出的電信號通過自動駕駛儀操縱舵面(一般方向舵和升降舵)，使飛機進入下滑道。例如設(shè)飛機處于下滑道上方，接收機將輸出反映上方極性的信號，通過自動駕駛儀使升降舵面后緣向下，產(chǎn)生低頭力矩，使飛機飛向下滑道，接收機輸出逐漸減小，直至飛機進入下滑道輸出為零，升降舵面恢復(fù)原來位置，飛機保持在下滑道上逐漸降低高度，實現(xiàn)自動著陸。

自動地形跟隨/回避系統(tǒng)

自動地形跟隨/回避系統(tǒng)用于控制軍用飛機在超低空(一般指相對高度100m以下的空域)突破敵人防線的飛行，利用地形、地物造成的雷達盲區(qū)和雜波反射進行隱蔽，使敵人防空雷達很難發(fā)現(xiàn)。使用自動駕駛儀和自動油門桿系統(tǒng)基本部件與地形探測和定位系統(tǒng)相交聯(lián)，可用于實現(xiàn)自動地形跟隨/回避功能。

常用的地形探測和定位系統(tǒng)是地形跟隨和地物回避雷達。目前，一些先進的軍用飛機已經(jīng)采用慣性導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)(INS/GPS)與三維數(shù)字地圖相配合的自主定位系統(tǒng)作為自動地形跟隨/回避系統(tǒng)的主信息源，以低可探測性的激光測距器等為輔助手段實現(xiàn)超低空突防飛行，進一步提高了低空突防的隱蔽性。