一、自动驾驶仪的组成

为了弄清自动驾驶仪的组成以及它是如何来代替驾驶员的问题。我们先来看看驾驶员是如何操纵飞机的。    如果要求飞机作水平直线飞行,飞机必须有一起始的俯仰角 (等于平飞时的迎角)来产生一定的升力与飞机的重力平衡.同时升降舵应向上偏转一定角度产生一定的操纵力矩与飞机的稳定力矩平衡.此时陀螺地平仪的指示小飞机应水平线位置,表明飞机作水平直线飞行.    若某种干扰使飞机偏离起始姿态(如抬头△角),这时驾驶员从地平仪观察到此变化,于是他的大脑作出决定,前推驾驶杆,使升降舵下偏一个 角,产生一低头力矩从而使飞机趋于水平驾驶员从地平仪中看到此变化,于是把驾驶杆逐渐回收到原来的平衡位置,升降舵也回到位置,这时飞机又作水平下线飞行.上述驾驶过程可用图8.20来表示。    由图可知,驾驶员和飞机组成了一个闭环系统,图中虚线框表示驾驶员。    若用自动驾驶仪来代替驾驶员上述驾驶过程的话,那么驾驶仪必须满足如下条件:                         1.它应能知道飞机偏离预定姿态角的情况,并按偏离方向,使舵面作相应的偏转.                         2.舵面偏转的大小和飞机偏离的大小应成一定的比例关系.即机头偏离大时,舵偏角也应大。    因此自动驾驶仪也应具有代替驾驶员眼、神经和肌肉、手或脚的一些装置.如起眼睛作用的敏感元件,起神经和肌肉作用的变换放大元件和起手起脚作用的执行元件。如图8.21所示.由图可知,自动驾驶仪主要由敏感元件、变换放大元件和执行元件三大部分组成.                         1.敏感元件:有时也称为传感器,它是用来感受或测量飞机的姿态及飞行参数,并输出相应电信号的一些装置。如测量飞机俯仰、倾斜和航向姿态的垂直陀螺仪放4量飞机绕机体轴转动角速度的速率陀螺仪此外还有大气数据传感器、高度差传感器和加速度计等敏感元件。                         2.变换放大元件:从敏感元件输出的电信号一般都是很微弱的,为了使执行元件能够工作,并按一定规律工作,必须将信号加以放大和变换,使得足以推动执行元件,并按一定规律动作。最常用的变换放大元件有电子放大器、磁放大器和液压放大器等。电子放大器通常有晶体管、集成电路和大规模集成电路等放大器。                         3.执行元件:有时也称为舵机。它根据敏感元件输出的信号大小及极性去偏转相应的舵面。根据采用的能源不同主要有:电动式、液压式和气动式。    在自动驾驶仪中有一个最基本的回路,它是由放大器、舵机和返馈元件构成的一个闭环回路,通常称之为舵回路。    舵回路性能的好坏会直接影响到自动驾驶仪性能。图中测速机测出舵面偏转的角速度,并返馈给放大器用来改善舵回路的动态特性,即增大舵回路的阻尼。位置传感器将舵偏角位置信号返馈到舵回路的输入端从而实现舵偏角的大小与输入控制信号成一定的关系。当舵回路具有位置返馈时称之为比例式舵回路。这时舵面的偏转角与输入信号成正比。若舵回路仅具有速度返馈时为积分式舵回路,即舵面偏转的角速度与输入信号成比例。              二、自动驾驶仪的功用及工作原理    我们知道自动驾驶仪是用来稳定与控制飞机角运动和重心运动的一种飞行自动控制系统。其功用为:                         1.按照驾驶员的意图稳定(或保持)飞机的飞行状态。如稳定飞机的姿态角,保持飞机的飞行高度和飞行M数等。    例如,驾驶员常常通过自动驾驶仪来稳定飞机的姿态角作巡航水平直线飞行。尤其远程民航机、运输机、轰炸机以及歼击机转场时很重要,以减轻驾驶员的负担。                         2.执行来串自动驾驶仪中操纵台的各种指令信号。    由于自动驾驶仪是并联在飞机机械系统之中,所以当自动驾驶仪工作时,驾驶员不能推动驾驶杆,因它们与自动驾驶仪联动。为此驾驶员必需通过自动驾驶仪的操纵台发出各种指令控制信号,此信号与敏感元件输出的信号极性相反以其差值加到舵回路从而操纵舵面偏转,使飞机按照各种指令信号运动。例如使飞机按给定的俯仰角爬高、下滑、改平;按选定的倾斜角转弯;按选定的航迹飞行等。                         3.自动驾驶仪目前正朝综合化多功能方向发展。    例如与地面无线电设备一起可组成自动着陆系统,来完成飞机的自动着陆等任务。如波音-747等飞机上装有自动着陆系统。在轰炸机上还可同其它电子设备、军械设备一起构成自动瞄准投弹系统。如F-105D战斗轰炸机可利用自动驾驶仪操纵飞机进入目标,机动飞行投弹,脱离战斗,返航和着陆。在战斗机上还可与机载雷达等设备构成火力控制系统,当机载雷达发现目标后,就进入自动跟踪目标。并实施攻击。它还可以同地形跟踪雷达一起构成自动地形跟踪系统,这种系绕可使飞机贴着地形高速低空入侵,由于有地形的遮蔽,不易为雷达所发现。如F-111飞机上就装有自动地形跟踪系统;可离地60米飞行。    因此自动驾驶仪不仅可用于民航机、运输机、轰炸机；而且还可用于歼击机、直升机和无人飞机等。    我们知道自动驾驶仪是通过飞机的升降舵副翼和方向舵三个主要操纵面来稳定和控制飞机的。因而自动驾驶仪也有与其对应的俯仰、横滚和航向三个通道。通道之内有相互交联的信号(特别是横滚和航向通道之内)。下面我们仅以俯仰通道为例来说明自动驾驶仪的工作原理。                         1.自动驾驶仪稳定飞机俯仰角的过程：                         a.飞机处于平飞状态   飞机平飞时,俯仰电位计的电刷B在其中点，而给定电位计的电刷A也在中点,两者电位相等,偏差信号为零升降舵不动处于中立位置。                         b.飞机偏离平飞状态，产生俯仰角偏差信号   当飞机受到扰动后,若飞机机头上仰 角,这时俯仰电位计与电刷A一道跟着飞机上仰(因电位计串联在飞机上),而电刷B则被垂直陀螺仪稳定不动。因此电刷A和B的电位不等，产生偏差信号,其大小与俯仰角的偏差 成比例。                         c舵面动作,飞机逐渐恢复   偏差信号放大器放大后,送至舵机，舵机转动,一方面经钢索带动舵面向下偏转；另一方面又带着返馈电位计的电刷C转动,直至返馈信号完全低消偏差信号为止.这时舵机停止转动,从而产生一低头为矩 Mz,在该力矩的作用下使得飞机和俯仰电位计逐渐向平飞位置恢复。                         d.舵面逐渐回收,飞机又恢复到平飞位置   由于飞机和俯仰电位计逐渐向平飞位置恢复,而电刷B仍被稳定不动则电刷A和B之间的偏差信号逐渐减小,当返馈信号大于偏差信号时,输入到放大器的误差信号反相(即极性相反)，从而使得舵面逐渐回收,电刷C又逐渐回到中点,最后舵面又恢复到平飞时的中立位置,飞机又处于平飞状态。                         2.通过自动驾驶仪操纵飞机的爬高的过程                         a.驾驶员给出爬高指令   当操纵飞机从平飞状态改为爬高状态时，驾驶员转动台上的操纵旋钮，使给定电刷转动，这时电刷A和B之间所给出信号即给定俯仰信号.                         b.舵面动作产生抬头的操纵力矩   在给定信号的作用下,舵机转动,一方面经钢索带动舵面向上偏转；另一方面又带动返馈电位计的电刷C转动,直至返馈信号完全抵消给定信为止.舵面上偏产生上仰操纵力矩.                         C.飞机逐渐向给定姿态过渡   在上仰操纵力矩的作用下,飞机逐渐上仰,俯仰电位计及给定电刷A也随飞机一起上仰,而电刷B仍被稳定不动.这样电刷A和B之间的偏差信号愈来愈小,于是返馈信号大于偏差信号,输入到放大器的信号反相,使舵面逐渐回收,电刷C逐渐向是点移动.                         d.飞机操纵到爬高状态   随着飞机上仰到给定的俯仰角时,电刷A和B之间的偏差信号为零.返馈电位计的电刷C也回到中点,舵面又处于中立位置,则飞机以给定的俯仰角爬高.                         从上面自动驾驶仪稳定与控制飞机姿态角的过程看出:该过程就是自动驾驶仪和飞机两者相互作用的过程.一方面由自动驾驶仪根据姿态角偏差的大小和方向去驱动舵面,产生操纵力矩,对飞机产生控制作用;另一方面,飞机实际姿态角的变化,又反作用于自动驾驶仪,使其实际的姿态角与给定的姿态角之间的偏差信号减小,从而减弱对飞机的控制作用.这就是飞机对自动驾驶仪的反作用,或称负返馈作用.这样自动驾驶仪与飞机组成一个闭环系统,通常称飞机--自动驾驶仪系统.