《先进飞行控制系统》第(IV).ppt
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1、先进飞行控制系统先进飞行控制系统第十三节课第十三节课(20121128)第七章第七章 现代飞行控制技术现代飞行控制技术7.1 电传操纵系统电传操纵系统7.2 主动控制技术主动控制技术放宽静稳定性放宽静稳定性直接力控制直接力控制机动载荷控制机动载荷控制阵风减缓与乘感控制阵风减缓与乘感控制主动颤振抑制主动颤振抑制7.1 电传操纵系统电传操纵系统7.1.1 飞行操纵系统(飞行操纵系统(FCS)的发展)的发展飞行操纵系统的发展可分为四个阶段:飞行操纵系统的发展可分为四个阶段:简单机械操纵系统简单机械操纵系统 不可逆助力操纵系统不可逆助力操纵系统 增稳与控制增稳系统增稳与控制增稳系统 电传操纵系统(电传
2、操纵系统(FBW)(1)简单机械操纵系统)简单机械操纵系统 50年代以前,由于飞机飞行速度不高,舵面气动载荷不大年代以前,由于飞机飞行速度不高,舵面气动载荷不大所以用简单的一杆三舵和机械传动杆系,借飞行员体力可所以用简单的一杆三舵和机械传动杆系,借飞行员体力可拉动舵面。拉动舵面。(2)不可逆助力操纵系统)不可逆助力操纵系统 50年代初期至中期,由于飞行速度增加,舵面载荷增加,年代初期至中期,由于飞行速度增加,舵面载荷增加,飞行员体力难以操纵飞机由此出现助力器。飞行员体力难以操纵飞机由此出现助力器。为了使飞行员感觉到速度、高度的变化,而设置回力杆,为了使飞行员感觉到速度、高度的变化,而设置回力杆
3、,将部分舵面载荷传到杆上出现可逆助力操纵系统。将部分舵面载荷传到杆上出现可逆助力操纵系统。在跨音速时,出现了杆力不可操纵性,引出不可逆助力操在跨音速时,出现了杆力不可操纵性,引出不可逆助力操纵系统。纵系统。原因:原因:在在 时,舵面效率下降(时,舵面效率下降(焦点后移,使静安定系数焦点后移,使静安定系数 增大增大,升降舵操纵效能升降舵操纵效能 下降下降,升降舵操纵力矩升降舵操纵力矩 不不足以克服低头力矩足以克服低头力矩 ,为此采用全动式平尾,扩大升降舵面,为此采用全动式平尾,扩大升降舵面积,补偿效率的降低,此时由于舵面铰链力矩很大,而无法实积,补偿效率的降低,此时由于舵面铰链力矩很大,而无法实
4、现所需要的回力比现所需要的回力比取消回力杆,成为取消回力杆,成为不可逆的助力操纵系统不可逆的助力操纵系统为使飞行员能感受到载荷增加了载荷机构、力臂调节和调效机为使飞行员能感受到载荷增加了载荷机构、力臂调节和调效机构(调效机构起消除杆力作用)构(调效机构起消除杆力作用)(3)增稳与控制增稳系统)增稳与控制增稳系统 从从50年代中期至年代中期至60年代,由于飞机向高速高空方向发展,年代,由于飞机向高速高空方向发展,歼击机外型变化(大后掠、三角机翼,细长身),使飞机歼击机外型变化(大后掠、三角机翼,细长身),使飞机自身稳定性不足,此时通过气动外形改变和飞行操纵系统自身稳定性不足,此时通过气动外形改变
5、和飞行操纵系统难以提高稳定性,为此出现了阻尼增稳系统。这样会引起难以提高稳定性,为此出现了阻尼增稳系统。这样会引起操纵性下降,为解决稳定性与操纵性的矛盾而出现控制增操纵性下降,为解决稳定性与操纵性的矛盾而出现控制增稳系统。稳系统。(4)电传操纵系统)电传操纵系统 60年代至今,虽然控制增稳系统能兼顾飞机稳定性与操纵年代至今,虽然控制增稳系统能兼顾飞机稳定性与操纵性的要求,但是电气通道的操纵权限不是全权限的,也没性的要求,但是电气通道的操纵权限不是全权限的,也没有可靠的安全措施,机械杆系仍然存在。将控制增稳系统有可靠的安全措施,机械杆系仍然存在。将控制增稳系统的电气通道的权限扩展到全权限,取消机
6、械通道而出现的电气通道的权限扩展到全权限,取消机械通道而出现电电传操纵系统传操纵系统,该系统中必存在计算机,同时采用余度技术,该系统中必存在计算机,同时采用余度技术具有很多优点。具有很多优点。1)电传操纵系统特点:)电传操纵系统特点:在电传系统中,驾驶杆输出不是机械位移信号,而是电信号在电传系统中,驾驶杆输出不是机械位移信号,而是电信号它与自动控制系统产生的电信号综合后,共同操纵舵面,所它与自动控制系统产生的电信号综合后,共同操纵舵面,所以电传操纵使人工操纵与自动控制在功能上和操纵方式上融以电传操纵使人工操纵与自动控制在功能上和操纵方式上融为一体。为一体。安全可靠、故障率低、无力反传问题、提高
7、战伤生存能力。安全可靠、故障率低、无力反传问题、提高战伤生存能力。这是这是MFCS的第三次变革。的第三次变革。2)电传操纵系统的发展:)电传操纵系统的发展:传传操操纵纵系系统统在在上上世世纪纪50年年代代末末就就已已出出现现。第第一一架架采采用用电电传传操操纵纵系系统统的的作作战战飞飞机机是是F-111,该该机机于于1964年年开开始始飞飞行行,当当时时采采用用了了三三余余度度带带机机械械备备份份的的模模拟拟式式系系统统。之之后后在在其其它它型型号号的的飞飞机机(如如“狂狂风风”战战斗斗机机,F-8C飞飞机机,西西德德的的F-104G、波波音音YC-14短短距距起起落落运运输输机机等等)也也进
8、进行行了了电电传传操操纵纵系系统统的的验验证证并并且且开开始始采采用用数数字字式式系系统统。但但最最初初电电传传操操纵纵系系统统的的共共同同特特点点是是为为了了安安全全可可靠靠,都都带带有有机机械械备备份份系系统统,以以提提供供非非相相似似的的余余度度2)电传操纵系统的发展:)电传操纵系统的发展:六六十十年年代代中中期期集集成成电电路路的的出出现现,对对航航空空技技术术的的发发展展产产生生了了巨巨大大影影响响,为为制制造造小小型型可可靠靠的的余余度度电电传传系系统统提提供供了了物物质质条条件件1972年年美美国国空空军军发发起起的的轻轻型型战战斗斗机机验验证证计计划划的的竞竞标标中中,第第一一
9、架架采采用用无无机机械械备备份份的的电电传传操操纵纵系系统统飞飞机机YF-16被被美美国国空空军军选选为为新新的的轻轻型型战战斗斗机机,从从此此开开始始了了无无任任何何机机械械备备份份的的电电传传操操纵纵系系统统的的发发展展。为为了了强强调调无无机机械械备备份份电电传传操操纵纵系系统统的的巨巨大大潜潜力力有有时时还还将将其其称称为为全全电电传传(Full fly-by-wire,FFBW)操操纵纵系系统统。YF-16经经过过试试验验证证及及大大量量技技术术改改造造之之后后,F-16很很快快成成为为世界上第一架无机械备份的模拟式电传操纵系统的飞机世界上第一架无机械备份的模拟式电传操纵系统的飞机2
10、)电传操纵系统的发展:)电传操纵系统的发展:数数字字技技术术的的发发展展,更更小小、更更密密集集和和更更有有效效的的大大规规模模集集成成电电路路的的发发展展,推推动动了了数数字字式式电电传传系系统统的的应应用用。1978年年,美美国国已已开开始始将将数数字字式式电电传传系系统统用用于于F-18战战斗斗机机,但但该该机机仍仍保保留留有有机机械械备备份份系系统统。在在此此期期间间,英英国国采采用用一一架架“美美洲洲虎虎”战战斗斗机机作作为为研研究究电电传传操操纵纵系系统统的的验验证证机机,该该机机装装有有四四余余度度数数字字式式电电传传操操纵纵系系统统,于于1981年年首首次次试试飞飞,这这是是第
11、第一一架架无无任任何何机机械械备备份份的的数字式电传操纵系统的飞机。数字式电传操纵系统的飞机。2)电传操纵系统的发展:)电传操纵系统的发展:80年代中期,美国利用年代中期,美国利用AFTI/F-16验证机所用的数字式电传验证机所用的数字式电传系统的改型,重新装备了系统的改型,重新装备了F-16C/D型飞机。该电传系统为四型飞机。该电传系统为四余度双故障余度双故障/工作的系统,采用四余度的数字备份系统。系工作的系统,采用四余度的数字备份系统。系统的体积比模拟式系统降低了统的体积比模拟式系统降低了2/3。由于电传操纵系统比机械操纵系统具有许多无可比拟的优点由于电传操纵系统比机械操纵系统具有许多无可
12、比拟的优点并且随着科学技术的发展,电传操纵系统所亟待解决的某些并且随着科学技术的发展,电传操纵系统所亟待解决的某些问题已逐步得到了解决,所以,从问题已逐步得到了解决,所以,从80年代以来,电传操纵系年代以来,电传操纵系统获得了极大的发展,许多新研制的军用及民用飞机均采用统获得了极大的发展,许多新研制的军用及民用飞机均采用了电传操纵系统。了电传操纵系统。2)电传操纵系统的发展:)电传操纵系统的发展:80年年代代开开始始研研制制的的瑞瑞典典的的JAS39“鹰鹰狮狮”战战斗斗机机,采采用用了了数数字字式式全全电电传传操操纵纵系系统统,该该系系统统没没有有机机械械备备份份系系统统,是是一一种种具具有有
13、“非非相相似似余余度度”并并作作为为最最后后备备份份的的三三个个模模拟拟通通道道的的三三通通道道数数字字系系统统。1986年年投投入入商商业业运运营营的的空空客客A320飞飞机机是是带带有有机机械械备备份份的的数数字字式式电电传传操操纵纵系系统统,采采用用双双一一三三共共五五套套非非相相似似余余度度的的数数字字计计算算机机,可可以以保保证证其其中中任任何何一一套套计计算算机机正正常常工工作作时时飞飞机机安安全全飞飞行行。90年年代代中中期期投投入入运运营营的的B777飞飞机机也也采采用用了了数数字字式式电电传传操操纵纵系系统统,利利用用人人工工应应急急机机械械配配平平系系统统作作为为系系统统最
14、最后后备备份份系系统统。俄俄罗罗斯斯生生产产的的su-27战战斗斗机机是是一一种种四四余余度度模模拟拟式式电电传传操操纵纵系系统统,可可实实现现双双故故障障/工工作作,该该系系统统无无任任何何备备份份系系统统7.1.2 余度技术余度技术(1)可靠性指标)可靠性指标就一般的产品或系统来说,可靠性的定义为,产品在规定的使用条就一般的产品或系统来说,可靠性的定义为,产品在规定的使用条件下,在规定的时间内,完成规定功能的能力。可靠性的基本特征件下,在规定的时间内,完成规定功能的能力。可靠性的基本特征量主要有:量主要有:可靠度函数:即产品在规定的使用条件下,在规定的时间内,完成规可靠度函数:即产品在规定
15、的使用条件下,在规定的时间内,完成规定功能的概率,或定义为,产品工作到某一时刻之前不发生故障的定功能的概率,或定义为,产品工作到某一时刻之前不发生故障的概率。概率。累积寿命分布函数(累积故障概率或不可靠度):它表示产品的寿命累积寿命分布函数(累积故障概率或不可靠度):它表示产品的寿命比规定时间比规定时间t短的概率,也就是产品在短的概率,也就是产品在t时间以前发生故障的概率时间以前发生故障的概率 平均寿命:产品寿命的平均值。对不可修复的产品来说,又称为平均平均寿命:产品寿命的平均值。对不可修复的产品来说,又称为平均无故障时间。对多数可修复产品,则用平均无故障间隔时间表示即无故障时间。对多数可修复
16、产品,则用平均无故障间隔时间表示即“MTBF”(Mean time between failures)。(1)可靠性指标)可靠性指标飞机电传操纵系统的可靠性,依军用规范规定,主要由飞机电传操纵系统的可靠性,依军用规范规定,主要由下述几个可靠性指标描述:下述几个可靠性指标描述:1 1)基本可靠性:基本可靠性:70年代初期,国外在新飞机设计中将平均无故障间隔时年代初期,国外在新飞机设计中将平均无故障间隔时间(间(MTBF)作为飞控系统可靠性指标。)作为飞控系统可靠性指标。对电传操纵系统,为满足飞机飞行安全可靠性要求,一对电传操纵系统,为满足飞机飞行安全可靠性要求,一般都采用多余度系统,在当前技术水
17、平下,四余度电传般都采用多余度系统,在当前技术水平下,四余度电传操纵系统的基本可靠性的目标值(固有值)大约为操纵系统的基本可靠性的目标值(固有值)大约为250小时左右。实际上,基本可靠性除反映组成系统单元的小时左右。实际上,基本可靠性除反映组成系统单元的可靠性外,主要反应了对系统维修和后勤保障要求。可靠性外,主要反应了对系统维修和后勤保障要求。(1)可靠性指标)可靠性指标通常余度套数增多,出故障的可能性增多,基本可靠性通常余度套数增多,出故障的可能性增多,基本可靠性(即(即MTBF)就越低,因此,就要增加维修工作量。余)就越低,因此,就要增加维修工作量。余度套数增多,只能提高执行任务的可靠性,
18、即在执行任度套数增多,只能提高执行任务的可靠性,即在执行任务期间,保证有足够高的可靠度,达到任务可靠度要求务期间,保证有足够高的可靠度,达到任务可靠度要求因此,在电传操纵系统设计时,应对任务可靠度与基本因此,在电传操纵系统设计时,应对任务可靠度与基本可靠度间进行权衡考虑。对数字电传操纵系统,若采用可靠度间进行权衡考虑。对数字电传操纵系统,若采用在线监控技术,其余度数可降为三套,这时在线监控技术,其余度数可降为三套,这时MTBF可达可达到到350飞行小时。飞行小时。(1)可靠性指标)可靠性指标2 2)完成任务可靠性:完成任务可靠性:电传操纵系统,由于有关工作单元故障造成的每次飞行电传操纵系统,由
19、于有关工作单元故障造成的每次飞行任务失败概率,定义为完成任务可靠性。国外有关军用任务失败概率,定义为完成任务可靠性。国外有关军用标准规定:标准规定:如订货方未提出对飞机总的完成任务可靠性要求,规定电如订货方未提出对飞机总的完成任务可靠性要求,规定电传系统的完成任务可靠性要求为:传系统的完成任务可靠性要求为:/每次飞行任务每次飞行任务 如订货方规定了飞机总的完成任务可靠性要求,则电传操如订货方规定了飞机总的完成任务可靠性要求,则电传操纵系统的任务失败概率纵系统的任务失败概率QM为:为:QM(1-RM)AM式中式中RM为飞机完成任务可靠度,为飞机完成任务可靠度,AM为电传操纵系统任为电传操纵系统任
20、务失败概率的分配因子(由承包商确定)。务失败概率的分配因子(由承包商确定)。(1)可靠性指标)可靠性指标3 3)飞行安全可靠性:飞行安全可靠性:电传操纵系统,由于有关工作单元故障造成的每次飞机电传操纵系统,由于有关工作单元故障造成的每次飞机损失概率应不超过:损失概率应不超过:如订货方规定了对飞机总的失效概率,则由电传操纵系如订货方规定了对飞机总的失效概率,则由电传操纵系统故障引起的飞机每次飞行损失概率统故障引起的飞机每次飞行损失概率QS应不超过:应不超过:QMS(1-Rs)As式中式中Rs为全机总的飞行安全可靠度,为全机总的飞行安全可靠度,As 为电传操纵系为电传操纵系统的飞机损失概率的分配因
21、子(由承包商确定)。统的飞机损失概率的分配因子(由承包商确定)。(1)可靠性指标)可靠性指标 若订货方没有给出全机总的飞行安全可靠度,目前,国若订货方没有给出全机总的飞行安全可靠度,目前,国外电传操纵系统飞机损失概率的目标植为外电传操纵系统飞机损失概率的目标植为 /飞行飞行小时,这样的安全可靠要求与机械操纵系统相比较,在小时,这样的安全可靠要求与机械操纵系统相比较,在数量级上是相当的。数量级上是相当的。表表7.1 电传电传系系统统部件和装置的可靠性部件和装置的可靠性 装置及部件名称装置及部件名称 故障率故障率(10-6/小小时时)陀螺陀螺加速度加速度计计线线性可性可变变差差动变压动变压器器数字
22、数字计计算机算机803510330计计算机模算机模拟输拟输入接口入接口100-150大气数据大气数据计计算机算机(带带自自检检的双重系的双重系统统)电电源系源系统统助力器助力器500.0020.5(1)可靠性指标)可靠性指标 对电传操纵系统来说,要实现上述安全可靠性指标是困对电传操纵系统来说,要实现上述安全可靠性指标是困难的。对单套电传操纵系统来说,由于它是由众多的电难的。对单套电传操纵系统来说,由于它是由众多的电气电子部件构成的,尽管每个部件的可靠性已经很高,气电子部件构成的,尽管每个部件的可靠性已经很高,组合起来形成的系统,其可靠性指标仍然难于提高,通组合起来形成的系统,其可靠性指标仍然难
23、于提高,通常仅能达到常仅能达到 /飞行小时。为了进一步提高单飞行小时。为了进一步提高单套电传操纵系统的可靠性,努力提高系统元部件的精度套电传操纵系统的可靠性,努力提高系统元部件的精度和可靠性是一个重要的方面,然而,这种方法是有限的和可靠性是一个重要的方面,然而,这种方法是有限的常常是付出的代价很大,可靠性提高的并不显著,也达常常是付出的代价很大,可靠性提高的并不显著,也达不到要求的可靠性指标。不到要求的可靠性指标。为了实现电传操纵系统的可靠为了实现电传操纵系统的可靠性指标,目前采用的主要方法是使用余度技术性指标,目前采用的主要方法是使用余度技术。(2)余度技术)余度技术现代飞机的电传操纵系统,
24、一方面必须要能可靠地实现现代飞机的电传操纵系统,一方面必须要能可靠地实现原机械操纵系统对飞机的不同操纵;另一方面更为重要原机械操纵系统对飞机的不同操纵;另一方面更为重要的是,电传操纵系统还采用杆指令的前馈信号以及各种的是,电传操纵系统还采用杆指令的前馈信号以及各种不同形式的反馈信号,使飞机具有不同的响应特性以及不同形式的反馈信号,使飞机具有不同的响应特性以及优秀的飞行品质。为了实现对飞机的可靠操纵和在整个优秀的飞行品质。为了实现对飞机的可靠操纵和在整个飞行包线内具有所要求的响应特性和优秀的飞行品质,飞行包线内具有所要求的响应特性和优秀的飞行品质,系统的安全可靠性对于研制和开发电传操纵系统来说是
25、系统的安全可靠性对于研制和开发电传操纵系统来说是十分重要的。而解决系统安全可靠性最有效的方法就是十分重要的。而解决系统安全可靠性最有效的方法就是采用余度技术。采用余度技术。(2)余度技术)余度技术1)余度技术定义:)余度技术定义:所谓余度技术,即用多重可靠性较低的相同或相似的元所谓余度技术,即用多重可靠性较低的相同或相似的元部件组成可靠性较高的系统,一般称其为冗余系统。如部件组成可靠性较高的系统,一般称其为冗余系统。如何构成余度系统并使其达到所要求的可靠性指标以及使何构成余度系统并使其达到所要求的可靠性指标以及使系统成本降低,这是采用余度技术需要深入研究的问题系统成本降低,这是采用余度技术需要
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