飞机升降速度控制系统方案.docx

飞机垂直速度控制系统自控大作业韩谨阳2015300464一、系统背景升降速度（或称作垂直速度）控制系统是现代自动飞行控制系 统的重要模式，系统将按照最优的（最省油）的升降速度自动控制 飞机的爬升和下降在一些飞机上，已经将垂直速度控制系统作为 纵向自动飞行控制系统的默认模式 ，改变了以俯仰角自动控制系统 作为默认模式的传统从动力学来看，对垂直速度的控制 ，若在飞行速度或空速不变 的条件下，实际上就是对纵向轨迹角或者航轨迹角的控制 ，而对鬼 计较的控制是飞机驾驶的最终目标 从这一意义上来说 ，垂直速度 控制系统成为纵向自动飞行控制系统的重要工作模式是容易理解 的但从固定翼飞机纵向运动的操作实质来说 ，只能通过改变俯仰 角力矩来达到对垂直速度的是需要通过对俯仰角的控制来间接达到 对纵向轨迹倾角控制的目的 一次，垂直速度控制系统的核心是俯仰角控制系统，将以此作为内回路来建立垂直速度控制系统二、控制系统模型建立飞机的垂直速度，实际指的是飞机重心相对于地面坐标0Z轴方ee 向的速度， 但方向与0 Z 方向相反ee根据运动学方程， 可以得到垂直速度的线性方程3 = -v cos Y nY - sin y v ( 1)e o o o 口其中， Y 、v 为飞机平衡时的航迹倾角和速度oo在实际中常用高度作为变量并以标准海平面作为测量基准 ， 平 衡状态时的高度为A Ho ,则(1 )式表示为A H 0 = -v cos Y nY - sin y v ( 2 )0 0口 0口如果平衡状态下Y0A H 二v .Ay / 57.3 ( 3 )00由于是通过俯仰角控制系统来控制垂直速度 ， 因此余姚求出航迹倾 角和俯仰角之间的关系4)即 口丫 = A0 — Ad将(4)式变换成传递函数形式Ay(s) Ad(s)=1 —— A0(s) A0(s)在短周期运动的条件下， 则有Ad(s)A0(I)=[Ad(s)] A0(s)]ee5)将(5) 代入到(4) 中， 于是有Av(s) -Z s2 + M Z s + (M Z - M Za)6）二 5 q 5 a 5 5 AOCs) e M s+ e(M Z -M eZ ) e5 a 5 5 ae e e由于在某些飞行状态下，式(6)很容易出现非最小相位系统，所谓 化简系统：Z（M 治-z ）7）△Y（s） a M au A0 （s） Zs + （M 晟-Z ）a M a5e式（7）在系统设计中，精度是足够的，并能保证是最小相位系统， 将该式代入（3）中Z8）V (M a M 2 Z - Z 丿Ho=( 57.3) r 严⑼S + (M a m1T~ Z a)e根据式（8）就可以建立在俯仰角控制系统基础上的垂直速度控制系 统了，而式（4）可用于建立数学仿真模型。

三、升降速度控制系统的设计升降速度控制系统是由俯仰角系统作为回路的，垂直速度控制 器将形成俯仰角指令并将其作为俯仰角控制系统的输入，进而对垂 直速度实施控制同时根据负反馈的原则，需引入升降速度的反馈 作为控制器生成俯仰角质量的必要信息垂直速度控制系统的方框 图如图（1）上述升降速度控制系统中卫丄为俯仰角控制系统的闭环传递函数, 且开环传递函数并不包含积分环节 ，将会场内在垂直速度的稳态误 差所以垂直控制系统控制率的基本是由比例和积分环节所组成下面假设高度为 4000M， 速度 130m/s 下飞机动力学和俯仰角 控制系统模型在 和 时的闭环传递函数为-3Ut .1s*30T rarefer FenIntegratorStDjpeZerc-FoleAO = 52.3373( s+0.6199)丽 (s+60207) (s+0.3948)(S2 + 5.087s + 13.24) c由前式得，此飞行状态下飞机俯仰角和根轨迹之间的关系Ay = 0.6199A0 s+60199匚A H 0. 6199 _ 1.4079=2. 2712 x ——A0 s+6.199 s+0.619910)11)垂直速度控制系统方框图如图所示：当控制率结构确定后 ，就可以进行参数选择了 ，首先确定的主 要参数增益 ，然后再设计用于改善系统稳态进度的积分参数选择 ， 首先确定系统的主要参数增益.在比例积分控制中，起主导作用，而 则主要用于响应以改变稳定精度 ，因此在设计时，可先假定为 0， 这样就可以作为闭环特征根的单一变量绘制根轨迹。

变化是的系统 闭环特征根的根轨迹曲线如图(1)所示Figure 1文件(F) 精(E)童看(V)插入(I)工MCD克面(D)窗口 (W)罄助(H)D E日3 |除|钦2甥⑥归謠▼復| 口目| ■旦Root Locus10 ' 1 1 1 1—-12 -10 -8 -6-4 -2 0 2 4 6•4Real Axis (seconds )图（1）设计时，应使得系统的主导复极点是欠阻尼的 ，这样有利于的 选择，并满足闭环极点中仍存在一对主导复极点如图（1）所示，当=0.936 时，主导复极点的阻尼比 0.601，震 荡模态是由复极点 =1.3897 决定的 为了设计，需要对图（1）所示的系统的闭环特征方程进行变换如 图（1）所示闭环特征方程为K1+ （K + vsi = 0vs s（12）式中△ H/A0 = G（s），其中已知c上式的两边同出因子1+K G,得到vs1+K G = 0vsi （1 + K G）vs（13）显然式（13 ）是以开环传递函数G = G 、增益构成负反馈 op [s（1 + K G）]vs 系统的闭环特征方程， 因此其闭环特征根是以其开环传递 进行绘制， 显然满足式（ 12）、 式（ 13） 在变化时的根轨迹是一致的要求。

传 递函数为73.6866G =—op s （s+50115）（s+3・845）（S2 + 2.729s + 5. 157）（14）当变化时，其闭环根轨迹如图（2）Figu『e 1文件（E）褊辑© »（v）插入① imcd 奠面9）窗口（W）sa（H）pa a ◎ |鸟|佻a ⑥退於h凰|口匡!|■口-12 -10 -8 -6-4 -2 0 2 4 6■4Real Axis (seconds )Root Locus(l・spuoo(ds) s-xv AJrauCTBLU-图（2）由于将决定积分器工作时的性能，因此将主动复极点选择在阻尼比 为 0.7 处，此时 =0.388当=0.936 , ，在指令垂直速度为1m/s的阶跃控制系统的垂直速度响应下如图（3）图（3）俯仰角度变化响应如图（4）图（4）由图很明显可以得到,垂直速度进入2%误差带的调节时间大致为5s ,这是基本可以接受的。