航空航天技术概论课程论文
学号： 姓名：王柯
专业：
论文题目：自动控制在航空航天的应用
论文概要：航空航天技术作为一门综合性学科代表了当今世界的最先进技术的集合。而其中则以自动控制技术统筹着各种技术，使之成为一个整体。本文着重将要论述自动控制技术在航空航天系统中诸多方面的应用和发展以及对于未来前景的展望。
研究背景：距1914年第一个简单的自动控制设备的发明与使用已经过去了近100年，一个现代的的自动飞行控制系统通常会包含多种自动执行的功能，如自动驾驶仪(简记为AP或A／P)、自动油门(简记为AT，A／T或A／THR)、飞行指引(简记为FD或F／D)、自动着陆以及自动配平和自动包线控制等。
1而在这些技术背后是以各基础学科为基础，以控制技术为主体的综合性航空技术。
另外随着技术的不断发展和飞机性能要求的不断提高，飞机的各个子系统也越来越复杂，功能不断增强，需要飞行员控制的部件也越来越多，同时还有大量的状态信息需要飞行员的监控，飞行员的注意力不能只停留在综合控制飞行与推进子系统上。飞行员必须转移他的注意力到更高的层面来完成任务和监控突发威胁。因此控制技术在航空技术中的应用有助于飞行员把注意力从综合控制中转移到任务层，只需发出完成任务的指令，不必参与具体的协调控制飞行与推进系统，从而减少飞行员的工作负担。
由此，我们可以看出研究控制技术在航空航天方面的应用具有重要意义。 2研究目标：研究自动控制技术在航空航天方面的应用，可以让我们在缺乏大量基础性学科知识的前提下，更好的了解航空航天技术的概貌。就如同做管理的人不必要精通底层的技术依然可以很好的运营一个团队一样，研究航空航天中的自动控制技术同样可依让我们以相对较少的知识，来研究航空航天技术的整体性能，从而指导航空航天技术的发展方向，更加有目的性的推动航空航天技术的发展。
研究内容：
在航空航天技术中最具有代表性的就是飞机的自动控制系统。而飞行控制系统的核心是：飞行控制系统和导航系统。具体系统设计示意图如下：
3
动控制系统设计
飞行控制系统分为飞机姿态控制回路和航迹飞行控制回路，飞机姿态控制回路包括俯仰角控制回路、滚转角控制回路、偏航角控制回路。其中俯仰角控制回路决定纵向飞行的稳定性；滚转角控制回路和偏航角控制回路决定了横向飞行的稳定性。飞机姿态控制回路决定了飞机的稳定性，每种飞机都有自己的控制律，可以适当地调整增益系数的大小，既可以达到飞机的性能指标。
在飞机的自动飞行控制过程中，通过GPS获取飞机位置坐标，同时通过机身各处的传感器检测飞机的实时飞行数据，并将其转化为数字信号，将这些数据传输给飞行控制系统。飞行控制系统根据导航数据实时控制无人机的姿态角，航线等飞行参数，从而使飞机能够稳定的向目的地飞行。
而对于这些飞行参数的具体控制包括：
1高度控制 ○
控制这一参数能够使飞机在某一恒定高度上飞行。高度控制系统有两种工作状态：一种是自动保持飞机在当时的高度上飞行，简称定高状态；另一种是自动改变飞行高度直到人工预先选定的高度，再保持定高飞行，简称预选高度状态。当驾驶员拨动预选高度旋钮调到预选高度刻度时，飞机自动进入爬高（或下滑）状态。在飞机趋近预选高度后，自动保持在预选的高度上作平直飞行。
2速度控制 ○
通过升降舵或升降舵加油门来自动控制空速或马赫数的系统。同时为防止随机阵风引起54
空速频繁变化以致对发动机过分频繁调节，一般将空速差和空速变化率信号经过阵风滤波器（通常为低通滤波器）进行滤波。为了改善飞机速度控制的质量，常采用比例加积分再加微分的控制方式。
3侧向航迹控制 ○
通过副翼和方向舵两个通道控制飞机在水平面内的航迹的系统，它以偏航角控制系统或滚转角控制系统为内回路。其中典型的方案以副翼通道为主通道，以方向舵通道为辅助通道，后者只起阻尼和协调的作用。
4自动着陆控制 ○
自动导引和控制飞机安全着陆的设备，一般分为两大类：①雷达波束型；②固定波束型。这两类系统都是先把飞机导引和控制到某一高度，然后利用拉平计算机、自动油门系统和自动抗偏流系统使飞机拉平直到接地。按拉平段飞行轨迹，拉平计算机的控制规律分三类：①指数轨迹控制：使飞机的下降速度与飞行高度成比例，按指数轨迹飞行直至接地。这种形式多用于大型飞机和旅客机。②固定轨迹控制：飞机按规定的曲线飞行，多用于歼击机。③接地点控制：又称终值控制。保证飞机在预定点接地，中间的拉平轨迹是任意的，这种控制适用于自动着舰。自动油门系统在自动着陆阶段自动调节油门以保证飞机安全着陆。如果不能着陆，自动油门系统应能提供飞机复飞的动力。自动抗偏流系统用来自动消除飞机在接地前由侧风等因素引起的偏流，保证飞机航向精确对准航迹(即机头对准跑道)，并保证机翼水平。
5迎角和侧滑角边界控制 ○
这种控制保证歼击机等机种在作特大机动飞行情况下其迎角为常值。系统的工作原理是引入当时迎角与给定迎角之差的信号，通过升降舵通道控制飞机以给定迎角作机动飞行。为提高控制精度，可引入上述差值信号的积分。正常控制状态与给定边界控制状态应能自然而
平滑地转换，这种转换是由信号选择器自动实现的。当迎角超过某值时，它对迎角进行限制。
结合我自身的专业来看在飞机的控制系统中主要应用了负反馈调节,比如图5所示：该自动驾驶仪系统用速率陀螺作为内回路的负反馈，在其后加入积分环节消除稳态误差，在外部用陀螺仪的负反馈包围整个回路从而进一步调节反馈精度。
另外在飞机控制技术中常用的还有鲁棒技术。我们都知道随着新一代飞机的性能不断增强，其控制变量数目也不断增加，例如，装有PW1128 发动机的F-16XL飞机的飞行/推进综合系统的控制变量多达 24 个，而且未来变循环发动机的控制变量数目可能会进一步增加。所以说飞行控制系统是一个典型的多变量控制系统。多变量控制系统的特征为解耦控制，同时在飞行控制系统建模时会存在模型不确定性，高频未建模动态，低频建模误差，参数摄动等问题。鲁棒控制方法的优点就在于能够很好地处理这类问题，设计的控制器具有很好的鲁棒性，并具有很好的解耦性能。同时该方法相对于其它非线性控制方法则比较成熟，具有完备的鲁棒性评价手段，满足飞行控制系统要求。
除了这些控制理论技术还必须结合数值模拟方法。近十年无网格拉格朗日方法发展得很快。相对拥有广泛影响力的 FDM、FVM 和 FEM 等欧拉方法，拉格朗日方法发展缓慢。无网格拉格朗日方法可以克服欧拉方法中的某些困难。常见的全拉格朗日无网格方法有光滑粒子动力学方法 ( Smoothed Par-ticle Hydrodynamics) 、移动粒子半隐式方法 ( Mov-ing Particle Semi-implicit、Particle Finite Element Meth-od方法、Finite-Volume Particle Method 方法等。这些数值计算方法能够很好的配合控制理论基础去解决飞行控制过程中的一些复杂的优化问题。
76
结论和展望：
随着飞机性能的逐渐提升，飞行控制已成为各个航空航天大国研究的热点。然而虽说现代控制理论在解决一些复杂随动的问题上提出了一些解决方法，但是在实际实行上却存在一定难度，这使得在控制理论方面主要还是以经典控制理论为主导，这也使得目前的控制系统设计方法在设计飞行控制系统时仍然存在许多难题。
但是同时，我们也应该认识到飞行控制系统设计也是一个不断应用先进控制理论的过程，因此在现有研究的基础上，尝试用新的方法进行设计，相信在不久的将来中国的航空航天事业能够迎来新的局面。
参考文献
1申安玉等编，自动飞行控制系统[B]，国防工业出版社，北京，2003.
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7黄盈, 飞行/推进综合控制系统优化设计方法研究, 南昌航空大学硕士学位论文,2012(6) 王智超;王林林;刘春，无人机自动控制仿真系统研究与实现，沈阳航空航天大学学报，2011(8) 杨俊鹏;祝小平，无人机倾斜转弯非线性飞行控制系统设计，兵工学报 2009(11) 吴森堂;费玉华，飞行控制系统 2005 王永庭. 涡扇发动机多变量鲁棒控制系统研究[D]. 西北工业大学, 2006. 邢菲，张帅，郑耀，采用移动粒子法对蒸发管结构优化，推进技术，期刊,2011(6)
航空航天技术概论课程论文
学号： 姓名：王柯
专业：
论文题目：自动控制在航空航天的应用
论文概要：航空航天技术作为一门综合性学科代表了当今世界的最先进技术的集合。而其中则以自动控制技术统筹着各种技术，使之成为一个整体。本文着重将要论述自动控制技术在航空航天系统中诸多方面的应用和发展以及对于未来前景的展望。
研究背景：距1914年第一个简单的自动控制设备的发明与使用已经过去了近100年，一个现代的的自动飞行控制系统通常会包含多种自动执行的功能，如自动驾驶仪(简记为AP或A／P)、自动油门(简记为AT，A／T或A／THR)、飞行指引(简记为FD或F／D)、自动着陆以及自动配平和自动包线控制等。
1而在这些技术背后是以各基础学科为基础，以控制技术为主体的综合性航空技术。
另外随着技术的不断发展和飞机性能要求的不断提高，飞机的各个子系统也越来越复杂，功能不断增强，需要飞行员控制的部件也越来越多，同时还有大量的状态信息需要飞行员的监控，飞行员的注意力不能只停留在综合控制飞行与推进子系统上。飞行员必须转移他的注意力到更高的层面来完成任务和监控突发威胁。因此控制技术在航空技术中的应用有助于飞行员把注意力从综合控制中转移到任务层，只需发出完成任务的指令，不必参与具体的协调控制飞行与推进系统，从而减少飞行员的工作负担。
由此，我们可以看出研究控制技术在航空航天方面的应用具有重要意义。 2研究目标：研究自动控制技术在航空航天方面的应用，可以让我们在缺乏大量基础性学科知识的前提下，更好的了解航空航天技术的概貌。就如同做管理的人不必要精通底层的技术依然可以很好的运营一个团队一样，研究航空航天中的自动控制技术同样可依让我们以相对较少的知识，来研究航空航天技术的整体性能，从而指导航空航天技术的发展方向，更加有目的性的推动航空航天技术的发展。
研究内容：
在航空航天技术中最具有代表性的就是飞机的自动控制系统。而飞行控制系统的核心是：飞行控制系统和导航系统。具体系统设计示意图如下：
3
动控制系统设计
飞行控制系统分为飞机姿态控制回路和航迹飞行控制回路，飞机姿态控制回路包括俯仰角控制回路、滚转角控制回路、偏航角控制回路。其中俯仰角控制回路决定纵向飞行的稳定性；滚转角控制回路和偏航角控制回路决定了横向飞行的稳定性。飞机姿态控制回路决定了飞机的稳定性，每种飞机都有自己的控制律，可以适当地调整增益系数的大小，既可以达到飞机的性能指标。
在飞机的自动飞行控制过程中，通过GPS获取飞机位置坐标，同时通过机身各处的传感器检测飞机的实时飞行数据，并将其转化为数字信号，将这些数据传输给飞行控制系统。飞行控制系统根据导航数据实时控制无人机的姿态角，航线等飞行参数，从而使飞机能够稳定的向目的地飞行。
而对于这些飞行参数的具体控制包括：
1高度控制 ○
控制这一参数能够使飞机在某一恒定高度上飞行。高度控制系统有两种工作状态：一种是自动保持飞机在当时的高度上飞行，简称定高状态；另一种是自动改变飞行高度直到人工预先选定的高度，再保持定高飞行，简称预选高度状态。当驾驶员拨动预选高度旋钮调到预选高度刻度时，飞机自动进入爬高（或下滑）状态。在飞机趋近预选高度后，自动保持在预选的高度上作平直飞行。
2速度控制 ○
通过升降舵或升降舵加油门来自动控制空速或马赫数的系统。同时为防止随机阵风引起54
空速频繁变化以致对发动机过分频繁调节，一般将空速差和空速变化率信号经过阵风滤波器（通常为低通滤波器）进行滤波。为了改善飞机速度控制的质量，常采用比例加积分再加微分的控制方式。
3侧向航迹控制 ○
通过副翼和方向舵两个通道控制飞机在水平面内的航迹的系统，它以偏航角控制系统或滚转角控制系统为内回路。其中典型的方案以副翼通道为主通道，以方向舵通道为辅助通道，后者只起阻尼和协调的作用。
4自动着陆控制 ○
自动导引和控制飞机安全着陆的设备，一般分为两大类：①雷达波束型；②固定波束型。这两类系统都是先把飞机导引和控制到某一高度，然后利用拉平计算机、自动油门系统和自动抗偏流系统使飞机拉平直到接地。按拉平段飞行轨迹，拉平计算机的控制规律分三类：①指数轨迹控制：使飞机的下降速度与飞行高度成比例，按指数轨迹飞行直至接地。这种形式多用于大型飞机和旅客机。②固定轨迹控制：飞机按规定的曲线飞行，多用于歼击机。③接地点控制：又称终值控制。保证飞机在预定点接地，中间的拉平轨迹是任意的，这种控制适用于自动着舰。自动油门系统在自动着陆阶段自动调节油门以保证飞机安全着陆。如果不能着陆，自动油门系统应能提供飞机复飞的动力。自动抗偏流系统用来自动消除飞机在接地前由侧风等因素引起的偏流，保证飞机航向精确对准航迹(即机头对准跑道)，并保证机翼水平。
5迎角和侧滑角边界控制 ○
这种控制保证歼击机等机种在作特大机动飞行情况下其迎角为常值。系统的工作原理是引入当时迎角与给定迎角之差的信号，通过升降舵通道控制飞机以给定迎角作机动飞行。为提高控制精度，可引入上述差值信号的积分。正常控制状态与给定边界控制状态应能自然而
平滑地转换，这种转换是由信号选择器自动实现的。当迎角超过某值时，它对迎角进行限制。
结合我自身的专业来看在飞机的控制系统中主要应用了负反馈调节,比如图5所示：该自动驾驶仪系统用速率陀螺作为内回路的负反馈，在其后加入积分环节消除稳态误差，在外部用陀螺仪的负反馈包围整个回路从而进一步调节反馈精度。
另外在飞机控制技术中常用的还有鲁棒技术。我们都知道随着新一代飞机的性能不断增强，其控制变量数目也不断增加，例如，装有PW1128 发动机的F-16XL飞机的飞行/推进综合系统的控制变量多达 24 个，而且未来变循环发动机的控制变量数目可能会进一步增加。所以说飞行控制系统是一个典型的多变量控制系统。多变量控制系统的特征为解耦控制，同时在飞行控制系统建模时会存在模型不确定性，高频未建模动态，低频建模误差，参数摄动等问题。鲁棒控制方法的优点就在于能够很好地处理这类问题，设计的控制器具有很好的鲁棒性，并具有很好的解耦性能。同时该方法相对于其它非线性控制方法则比较成熟，具有完备的鲁棒性评价手段，满足飞行控制系统要求。
除了这些控制理论技术还必须结合数值模拟方法。近十年无网格拉格朗日方法发展得很快。相对拥有广泛影响力的 FDM、FVM 和 FEM 等欧拉方法，拉格朗日方法发展缓慢。无网格拉格朗日方法可以克服欧拉方法中的某些困难。常见的全拉格朗日无网格方法有光滑粒子动力学方法 ( Smoothed Par-ticle Hydrodynamics) 、移动粒子半隐式方法 ( Mov-ing Particle Semi-implicit、Particle Finite Element Meth-od方法、Finite-Volume Particle Method 方法等。这些数值计算方法能够很好的配合控制理论基础去解决飞行控制过程中的一些复杂的优化问题。
76
结论和展望：
随着飞机性能的逐渐提升，飞行控制已成为各个航空航天大国研究的热点。然而虽说现代控制理论在解决一些复杂随动的问题上提出了一些解决方法，但是在实际实行上却存在一定难度，这使得在控制理论方面主要还是以经典控制理论为主导，这也使得目前的控制系统设计方法在设计飞行控制系统时仍然存在许多难题。
但是同时，我们也应该认识到飞行控制系统设计也是一个不断应用先进控制理论的过程，因此在现有研究的基础上，尝试用新的方法进行设计，相信在不久的将来中国的航空航天事业能够迎来新的局面。
参考文献
1申安玉等编，自动飞行控制系统[B]，国防工业出版社，北京，2003.
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7黄盈, 飞行/推进综合控制系统优化设计方法研究, 南昌航空大学硕士学位论文,2012(6) 王智超;王林林;刘春，无人机自动控制仿真系统研究与实现，沈阳航空航天大学学报，2011(8) 杨俊鹏;祝小平，无人机倾斜转弯非线性飞行控制系统设计，兵工学报 2009(11) 吴森堂;费玉华，飞行控制系统 2005 王永庭. 涡扇发动机多变量鲁棒控制系统研究[D]. 西北工业大学, 2006. 邢菲，张帅，郑耀，采用移动粒子法对蒸发管结构优化，推进技术，期刊,2011(6)