文档介绍：第四章飞机操纵系统设计与分析
操纵系统的特性
设计飞机操纵系统与设计飞机其它部件的主要区别与操纵系统的特点有关。这就是说,操纵
系统是将飞行员与操纵机构连在一起的一种随动系统。因此,在设计这种系统时,在很大程度上必
须考虑“人”的因素。除此之外,为了使所设计的操纵系统能保证飞机有良好的操纵性,不仅需要
考虑这个系统所驱动的舵面的特性,它的铰链力矩、惯性、重量、刚度等,而且还要考虑飞机本身
的气动特性、惯性和动态特性。
飞机的操纵可以由飞行员进行,也可以用自动控制系统来实现。
飞机过载的体感和操纵杆力的变化对飞行员感受飞行状态的变化和操纵机构的效果起很大的
作用。一个具有一定驾驶素养的飞行员能够将当时的飞行参数值与所要求的参数值进行比较并给出
操纵杆的位移信号。操纵杆的位移由操纵系统变成飞机操纵舵面相应的偏转。舵面的偏转导致飞机
改变飞行参数。飞行员借助于传感元件监督自己对操纵舵面偏转的结果,即飞行参数的变化,并力
图消除瞬时的飞行参数与所要求的飞行参数之间的差异,而当飞行参数与所要求的参数互相吻合的
时候,飞行员对驾驶杆的操作就停止。
将飞行员视为控制回路的一个组成部分,也可以简化地组成一个自动调节系统,这个系统由
彼此互相密切连在一起的飞行员、操纵系统和飞机三个主要环节构成。飞行员作为操纵回路中的一
个环节,其本身可简化为由三个相互关联环节所组成的自动调节系统(图 ):敏感器官(感受
机构-“传感器”),中心神经系统(完成信息加工和选择决定的系统),以及执行机构(手臂、腿、
背部肌肉)。飞行员执行机构的运动和它所产生的力是人作为操纵回路的一环节的“输出信号”。
ε()t Fte (),() xt δ VHn,,,α⋅⋅⋅
飞行员操纵系统飞机
(a)
传感器指令脉冲执行机构
Fte (),() xt
中枢神经系统
力反馈
位移反馈
(b)
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图 (a)“驾驶员-操纵系统-飞机”控制回路闭环系统图;(b)驾驶员作为控制回路
的指令中心环节,用操纵机构消除飞行参数偏差量的系统原理图ε()t -飞行参数的偏差量;Fte (),() xt
-对操纵机构施加的力及其位移;δ-操纵装置的偏转量;VHn,,,α-飞行参数
执行机构的位移和力的分配有可能使熟悉飞机操纵特性的飞行员通过对操纵杆施加一定的
力,使操纵杆产生相应的位移来实现改变飞行状态的要求。
飞行员对力的变化的感受比对位移变化的感受要好,因此力的分配的精确性显著高于位移分
配的精确性。
研究表明,操纵回路稳定性的损失,不仅在调节飞行参数时在操纵杆上完全不存在力的变化
的情况下发生,而且会在操纵杆上力的变化太小和太大的情况下发生。这一切是同飞行员在一定大
小范围内更精确地分配操纵杆的位移及施加在操纵杆上的力分不开的。
为完成一定的机动飞行所必需的操纵杆位移和操纵杆力的最佳值(例如,对于改变单位法向
∂x ∂F
过载——纵向静稳定性指标和 e )是由长期的实践决定的,并且在所设计飞机的相应要求中
∂n ∂n
提出,或者是在其设计过程中借助于专用实验台进行操纵过程的模拟实验来确定的。这些操纵性指
标的大小应当保证在控制系统的设计中得到满足。
飞行员作为操纵回路的指令环节(或叫操纵环节)具有许多影响控制过程的特点,这些特点
可以概括为如下几点:
(1) 对外部信号的响应延时。这个延时的大小在很大程度上取决于飞行员是否训练有素和飞行
员的心理和体力的状态。通常可以认为:有中等技术水平的飞行员,响应延时时间为
τ= ~ 秒;
(2) 惯性。表现在飞行员的动作不可能以必需的响应水平瞬时地出现;
(3) 具有不灵敏区;
(4) 对外部信号的过滤能力;
(5) 在广泛的范围内改变本身传递函数,包括改变微分和积分传递函数的能力。也就是说,不
仅对任何一种飞行参数偏离有做出反应的能力,而且对这种偏离的一阶和二阶导数值以及
这种偏离的积分也有做出反应的能力;
(6) 以有限精度形成输出指令信号的能力。信号的有限精度取决于它的大小和频率;
(7) 对频率不超过 25~30 赫兹的信号的跟踪能力(存在通频带)。
一个好的飞行员,尽管他有在很大的范围内改变本身传递函数的能力,但是他在操纵回路中
仍然只是作为一个单通道放大器工作的,并能逐步消除现时任何一个飞行参数与所要求值之间的误
差ε()t 。
然而,飞行员在校正外界信号的过程中,反应的初始延时和惯性延长了消除所产生误差的时
间,而在协调误差信号频率较高的情况下,飞