典型飞机自动驾驶系统工作模式管理与控制

杨建营

（中国联合航空有限公司，北京 102600）

0 引言

为了减轻飞行员操纵飞机所花费的体力和精力，同时为了提高飞机的飞行精度，现代民用大中型飞机基本上都安装了自动飞行系统。当代飞机的自动飞行系统以机载导航系统、飞行员输入的指令或执行机构反馈信号为主要信号源，以计算机为核心，以伺服作动系统为执行机构来实现自动飞行功能。

1 自动驾驶系统的功用

自动驾驶系统是自动飞行系统的核心子系统之一。自动驾驶计算机根据设定的工作方式和其他输入信号来计算操纵舵面的控制指令，该指令传送给舵面伺服作动系统推动飞机舵面，以控制飞机的姿态，从而实现对飞机飞行轨迹和速度的控制。现代飞机自动驾驶子系统一般有二个通道，即俯仰和横滚通道。横滚通道的功能是自动驾驶仪根据飞行员在控制面板上的设定或飞行管理系统传送过来的数据控制飞机的飞行横滚姿态、航迹、航向；俯仰通道的功能是自动驾驶仪根据飞行员在控制面板上的设定或飞行管理系统传送过来的数据控制飞机的飞行俯仰姿态、飞行高度。自动驾驶仪通过控制升降舵或水平安定面来实现俯仰轴上的偏转。偏航控制由横滚通道和偏航阻尼器共同来完成。典型飞机自动驾驶系统的组成如图1 所示。

图1 典型飞机的自动驾驶系统组成

2 自动驾驶系统的工作模式

自动驾驶只能在起飞离地并达到一定高度后才能衔接，非电传操纵的飞机自动驾驶一般有两种衔接模式，一种是驾驶盘操纵（CWS）模式，另一种是指令（CMD）模式。

2.1 CWS 自动驾驶工作模式

自动驾驶工作在CWS 模式时，方向盘或驾驶杆的力感觉机构把飞行员的操作量转换为电信号，传送给自动驾驶计算机，计算机把电信号计算成控制指令，并把该控制指令传送给自动驾驶液压伺服作动器，通过控制液压伺服作动器控制舵机，进而控制舵面运动。CWS 控制流程为：驾驶盘或杆操作机构→力传感器→自动驾驶计算机→液压伺服作动器→舵机→舵面。自动驾驶工作在CWS 模式时，当飞行员不操作飞机操作机构时，自动驾驶保持飞机以现有姿态飞行。如果飞行员需要改变飞机姿态，飞行员可以通过操控飞机操作机构来实现。

2.2 CMD 自动驾驶工作模式

自动驾驶工作在CMD 模式时，控制指令由控制面板或飞行管理计算机发出，目标指令传送给自动驾驶计算机，计算机计算控制指令，然后传送给自动驾驶伺服作动器，由伺服作动器作动舵机，进而控制舵面运动。CMD 控制流程：控制面板+飞行管理系统+飞机运动参数→自动驾驶计算机→自动驾驶液压伺服作动器→舵机→舵面。

3 自动驾驶系统回路设计

自动驾驶系统的工作本质是控制飞机，实现对飞机姿态、位置和速度的控制与稳定。自动驾驶系统是由多个闭环回路组合而成的复杂反馈控制系统，从功能上可以分同步回路、舵机回路、稳定回路和制导回路。

3.1 同步回路

同步回路是通过自动驾驶计算机的信号同步以及舵机同步，来保证在自动驾驶衔接时，系统输出为零，即保证自动驾驶的工作状态与当前飞机的飞行状态同步。

3.2 舵机回路

舵机回路是舵机偏转信号反馈回计算机的路，其保证自动驾驶的输出和输入成比例或积分关系，减少铰链力矩对作动机构工作性能的影响。

3.3 稳定回路

稳定回路又称内回路，是控制飞机的角运动，通过控制飞机的姿态最终进入目标姿态。如果测量的是飞机的飞行姿态数据，那么姿态测量部件和舵回路就构成了自动驾驶计算机，自动驾驶计算机和飞机就构成了稳定回路。

3.4 制导回路

制导回路又称外回路，主要控制飞机的航迹和速度，实现对飞机重心偏移即飞机运动轨迹的控制。稳定回路加上测量飞机重心位置信号的元件以及表征非空间位置几何关系的运动学环节，就组成了控制飞机质心运动的回路，既制导回路。飞机的位置、速度是控制回路的目标值，由飞机运动方程可以得到飞机姿态与轨迹参数之间的关系。自动驾驶系统控制回路如图2 所示。

图2 自动驾驶系统内回路和外回路

3.5 工作模式管理方法

制导回路用于自动控制及稳定飞行路径，在制导回路中可以得到理想飞行路径指令和实际飞行路径之间的差值，即路径偏离信号。路径偏离信号转换成为飞机姿态指令信号，并作为输入信号提供给稳定回路。稳定回路把输入飞机姿态信号与实际飞机的实际姿态进行比较，计算出姿态偏差，该偏差由自动驾驶计算机处理，计算出舵面偏转指令传输给舵机回路。机舵回路作动舵面偏转，改变飞机的姿态，即可改变飞机的航迹。

4 自动驾驶系统控制器设计

对自动驾驶系统控制精度和响应速度起关键作用的就是速度自动驾驶计算机中控制器的设计方法。传统的控制器以比例控制、积分控制为典型设计，进而形成PID 控制。随着计算机技术控制技术和自适应控制技术的不断进步，为进一步提高控制精度，针对不同的飞行速度及不同的飞行阶段现代飞机采用了数字式可变参数自适应PID 控制设计，使用测速反馈改善作动机构的动态性能。引入速度反馈的可变参数自适应控制原理如图3 所示。

图3 典型自动驾驶可变参数自适应PID 控制器原理

5 结束语

随着电子技术、计算机技术的进步，自动驾驶计算机对飞行管理功能、自动驾驶仪功能、飞行指引的功能、自动油门功能、偏航阻尼功能以及配平功能的综合管理能力不断提高，自动驾驶系统必将向深度集成方向发展。