典型飛機自動駕駛系統工作模式管理與控制

楊建營

（中國聯合航空有限公司，北京 102600）

0 引言

為了減輕飛行員操縱飛機所花費的體力和精力，同時為了提高飛機的飛行精度，現代民用大中型飛機基本上都安裝了自動飛行系統。當代飛機的自動飛行系統以機載導航系統、飛行員輸入的指令或執行機構反饋信號為主要信號源，以計算機為核心，以伺服作動系統為執行機構來實現自動飛行功能。

1 自動駕駛系統的功用

自動駕駛系統是自動飛行系統的核心子系統之一。自動駕駛計算機根據設定的工作方式和其他輸入信號來計算操縱舵面的控制指令，該指令傳送給舵面伺服作動系統推動飛機舵面，以控制飛機的姿態，從而實現對飛機飛行軌跡和速度的控制。現代飛機自動駕駛子系統一般有二個通道，即俯仰和橫滾通道。橫滾通道的功能是自動駕駛儀根據飛行員在控制面板上的設定或飛行管理系統傳送過來的數據控制飛機的飛行橫滾姿態、航跡、航向；俯仰通道的功能是自動駕駛儀根據飛行員在控制面板上的設定或飛行管理系統傳送過來的數據控制飛機的飛行俯仰姿態、飛行高度。自動駕駛儀通過控制升降舵或水平安定面來實現俯仰軸上的偏轉。偏航控制由橫滾通道和偏航阻尼器共同來完成。典型飛機自動駕駛系統的組成如圖1 所示。

圖1 典型飛機的自動駕駛系統組成

2 自動駕駛系統的工作模式

自動駕駛只能在起飛離地并達到一定高度后才能銜接，非電傳操縱的飛機自動駕駛一般有兩種銜接模式，一種是駕駛盤操縱（CWS）模式，另一種是指令（CMD）模式。

2.1 CWS 自動駕駛工作模式

自動駕駛工作在CWS 模式時，方向盤或駕駛桿的力感覺機構把飛行員的操作量轉換為電信號，傳送給自動駕駛計算機，計算機把電信號計算成控制指令，并把該控制指令傳送給自動駕駛液壓伺服作動器，通過控制液壓伺服作動器控制舵機，進而控制舵面運動。CWS 控制流程為：駕駛盤或桿操作機構→力傳感器→自動駕駛計算機→液壓伺服作動器→舵機→舵面。自動駕駛工作在CWS 模式時，當飛行員不操作飛機操作機構時，自動駕駛保持飛機以現有姿態飛行。如果飛行員需要改變飛機姿態，飛行員可以通過操控飛機操作機構來實現。

2.2 CMD 自動駕駛工作模式

自動駕駛工作在CMD 模式時，控制指令由控制面板或飛行管理計算機發出，目標指令傳送給自動駕駛計算機，計算機計算控制指令，然后傳送給自動駕駛伺服作動器，由伺服作動器作動舵機，進而控制舵面運動。CMD 控制流程：控制面板+飛行管理系統+飛機運動參數→自動駕駛計算機→自動駕駛液壓伺服作動器→舵機→舵面。

3 自動駕駛系統回路設計

自動駕駛系統的工作本質是控制飛機，實現對飛機姿態、位置和速度的控制與穩定。自動駕駛系統是由多個閉環回路組合而成的復雜反饋控制系統，從功能上可以分同步回路、舵機回路、穩定回路和制導回路。

3.1 同步回路

同步回路是通過自動駕駛計算機的信號同步以及舵機同步，來保證在自動駕駛銜接時，系統輸出為零，即保證自動駕駛的工作狀態與當前飛機的飛行狀態同步。

3.2 舵機回路

舵機回路是舵機偏轉信號反饋回計算機的路，其保證自動駕駛的輸出和輸入成比例或積分關系，減少鉸鏈力矩對作動機構工作性能的影響。

3.3 穩定回路

穩定回路又稱內回路，是控制飛機的角運動，通過控制飛機的姿態最終進入目標姿態。如果測量的是飛機的飛行姿態數據，那么姿態測量部件和舵回路就構成了自動駕駛計算機，自動駕駛計算機和飛機就構成了穩定回路。

3.4 制導回路

制導回路又稱外回路，主要控制飛機的航跡和速度，實現對飛機重心偏移即飛機運動軌跡的控制。穩定回路加上測量飛機重心位置信號的元件以及表征非空間位置幾何關系的運動學環節，就組成了控制飛機質心運動的回路，既制導回路。飛機的位置、速度是控制回路的目標值，由飛機運動方程可以得到飛機姿態與軌跡參數之間的關系。自動駕駛系統控制回路如圖2 所示。

圖2 自動駕駛系統內回路和外回路

3.5 工作模式管理方法

制導回路用于自動控制及穩定飛行路徑，在制導回路中可以得到理想飛行路徑指令和實際飛行路徑之間的差值，即路徑偏離信號。路徑偏離信號轉換成為飛機姿態指令信號，并作為輸入信號提供給穩定回路。穩定回路把輸入飛機姿態信號與實際飛機的實際姿態進行比較，計算出姿態偏差，該偏差由自動駕駛計算機處理，計算出舵面偏轉指令傳輸給舵機回路。機舵回路作動舵面偏轉，改變飛機的姿態，即可改變飛機的航跡。

4 自動駕駛系統控制器設計

對自動駕駛系統控制精度和響應速度起關鍵作用的就是速度自動駕駛計算機中控制器的設計方法。傳統的控制器以比例控制、積分控制為典型設計，進而形成PID 控制。隨著計算機技術控制技術和自適應控制技術的不斷進步，為進一步提高控制精度，針對不同的飛行速度及不同的飛行階段現代飛機采用了數字式可變參數自適應PID 控制設計，使用測速反饋改善作動機構的動態性能。引入速度反饋的可變參數自適應控制原理如圖3 所示。

圖3 典型自動駕駛可變參數自適應PID 控制器原理

5 結束語

隨著電子技術、計算機技術的進步，自動駕駛計算機對飛行管理功能、自動駕駛儀功能、飛行指引的功能、自動油門功能、偏航阻尼功能以及配平功能的綜合管理能力不斷提高，自動駕駛系統必將向深度集成方向發展。