【正文】 ，所以需要增大對飛機速度的自控制系統(tǒng)【2】。綜合來說，飛機速度控制的必要性主要有幾下幾點：由于現(xiàn)代航空業(yè)的發(fā)展迅速，各個機場的客流量越來越大，機場需要按照嚴格的時刻表對飛機進行調(diào)度，所以現(xiàn)在對飛機速度的精度要求提高了。最近今年，超高速飛行器的概念逐漸被大眾所熟知，對于超高速飛機來說，飛機的速度很大，因此速度對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響因子增大，所以必須要嚴格控制飛機的速度精度【2】。速度控制是航跡控制的必要前提，如果飛機的速度控制不好，那么控制航跡是不可能實現(xiàn)的。當飛機在突破音速的瞬間，必須要突破音障，這個時候飛機穩(wěn)定性會急劇下降，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須精確控制飛機的速度來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以也要建立相關(guān)的速度控制系統(tǒng)。 研究內(nèi)容論文的主要工作是以控制飛機速度為中心，對飛機系統(tǒng)進行了建模和分析，根據(jù)分析的結(jié)果，設(shè)計了相關(guān)的控制器，通過Matlab軟件仿真后，實現(xiàn)了較好的控制效果，滿足了系統(tǒng)的性能指標【3】。本論文主要從以下幾個部分進行分析：1. 對飛機速度控制系統(tǒng)建模。根據(jù)飛機速度控制的硬件描述，建立了相關(guān)的數(shù)學模型。常用的數(shù)學模型有微分方程、傳遞函數(shù)等。本文為了研究的方便，建立了飛機速度控制的傳遞函數(shù)模型。2. 從時域的角度分析了系統(tǒng)的性能指標。從時域出發(fā)，分析了系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性，比如動態(tài)特性的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，靜態(tài)特性的靜態(tài)誤差。并且分析了典型二階系統(tǒng)的性能指標與其參數(shù)的關(guān)系和高階系統(tǒng)的分析方法，便于以后進行設(shè)計控制器。3. 根據(jù)建立的模型對系統(tǒng)進行分析。建立模型之后，對系統(tǒng)進行了開環(huán)和閉環(huán)的研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是動態(tài)特性和靜態(tài)特性都不能滿足要求，所以要設(shè)計控制器進行控制。4. 設(shè)計傳統(tǒng)的PID控制器。通過對PID控制器的介紹，分析了PID控制器的優(yōu)點，以及PID控制器中三個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。根據(jù)前面的分析，調(diào)節(jié)了PID控制器的三個參數(shù)， 通過在Matlab中編程仿真，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的性能指標得到提高。5. 根軌跡法對系統(tǒng)的控制器參數(shù)進行優(yōu)化。前面設(shè)計的PID控制器雖然提高了系統(tǒng)的性能指標，但是通過根軌跡法發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的阻尼比并不在最佳阻尼比，所以系統(tǒng)的性能還有提升的空間，所以，根據(jù)根軌跡圖，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)，將系統(tǒng)的閉環(huán)極點放到了最佳阻尼比處，進一步提高了系統(tǒng)的性能指標。6. 根據(jù)系統(tǒng)的特點設(shè)計了模糊控制器。由于系統(tǒng)中存在著參數(shù)不確定性，所以傳統(tǒng)的控制方法很難對于所有的參數(shù)都滿足，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計了智能控制器中的一種，模糊控制器，通過調(diào)節(jié)模糊控制器的參數(shù)，并在Matlab中仿真發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的性能指標進一步得到提升，效果非常好，實現(xiàn)了控制的效果。2模擬飛機速度控制系統(tǒng)的工作原理與數(shù)學模型 模擬飛機速度控制系統(tǒng)工作原理 飛機速度控制系統(tǒng)簡介對于飛機的飛控系統(tǒng)來說，可以分為兩個大類，其中第一種是人工飛行控制系統(tǒng)，另一種是自動飛行控制系統(tǒng)。人工飛行控系統(tǒng)，就是由飛行員根據(jù)飛機的狀態(tài)，自己對飛機進行操作來完成相關(guān)的操作的系統(tǒng)。不是由飛行員對飛機直接操作，而是飛機自動根據(jù)自身的狀態(tài)來調(diào)節(jié)自己的系統(tǒng)成為自動飛行控制系統(tǒng)。最簡單的自動飛行控制系統(tǒng)就是自動駕駛儀【4】。飛控系統(tǒng)由很多個不同的部分組成，這些部分都有各自不同的作用。比如飛機的屏顯設(shè)備、飛機的傳感器、飛機的機載計算機、系統(tǒng)的執(zhí)行器，以及其他的接口設(shè)備組成。飛機的屏顯設(shè)備主要是顯示飛機的相關(guān)信息，比如飛機的姿態(tài)角、速度、機內(nèi)的溫度等。飛機的控制裝置是飛行員進行操作的部件，比如駕駛桿、控制油門的設(shè)備。飛機的傳感器主要是測量飛機的相關(guān)量，比如飛機的姿態(tài)角、位置、空速、飛機相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)信息，它將這些模擬量轉(zhuǎn)化為電信號或者光信號，輸送到飛控計算機，然后由飛控計算機進行操作。飛行控制計算機是飛行控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，它接收飛機上傳感器的信息，判斷飛機所處的狀態(tài)，然后根據(jù)預設(shè)的指令或者飛行員發(fā)出的指令做出對應(yīng)的操作，來控制各個部件運行。飛機上的執(zhí)行器是飛行控制系統(tǒng)的“手”，它接收飛控計算機發(fā)出的指令，進行相關(guān)的操作，比如控制飛機的舵機、飛機的起落架等部件。飛控系統(tǒng)的自測試裝置用來測量飛機的實時狀態(tài)信息，并判斷這些狀態(tài)是否是正常的狀態(tài)，假如檢測到不正常的狀態(tài)，自測試裝置就會做出相關(guān)的反應(yīng)，提醒飛行員檢查故障并且排除故障。飛機上不同部分之間用不同的接口進行連接【5】。飛機速度控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要包括以下幾個部分：①測量元件或稱為敏感元件測量元件主要用來測量飛機運動時的各項參數(shù)。飛機的角速度主要用速率陀螺來測量，飛機姿態(tài)角中的俯仰角則主要用垂直陀螺來測量，飛機的偏航角主要用飛機的航向陀螺測量。②信號處理元件或者成為計算元件飛機中的計算元件的功能主要是轉(zhuǎn)換信號。比如傳感器測量的信息含有噪聲，則濾波器就是來濾除飛機的噪聲信號。飛控計算機輸出的控制信號，超出了執(zhí)行器所能接受的范圍，計算元件中的限幅器就會把控制信號限定到一定幅值之內(nèi)，使執(zhí)行器能夠接受【6】。③放大元件放大元件主要是放大功能，把上述處理過的信號進行放大處理，一般情況下指的是功率放大。④執(zhí)行結(jié)構(gòu)飛機上的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是根據(jù)飛控計算機的控制信號，并進行一定的放大處理之后，帶動相關(guān)部件運動的機構(gòu)。隨著飛行控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其所能實現(xiàn)的功能也越來越多，它可以實現(xiàn)的主要功能有：①使飛機在三個軸向上保持相對的穩(wěn)定，即飛機姿態(tài)角的穩(wěn)定。②飛行員發(fā)送相關(guān)的指令到飛控計算機，比如期望的飛機速度，飛控計算機根據(jù)飛機實際的速度和期望的速度，輸出控制信號，使實際的速度等于期望的速度。③飛控系統(tǒng)接收到飛行員設(shè)定的信號之后，控制飛機按照期望的高度和速度飛行。④飛控系統(tǒng)和管理飛機飛行的計算機結(jié)合在一塊，使飛機按照預先設(shè)定的速度進行飛行，滿足一定的任務(wù)目標。 飛機速度控制主要有三種方案，第一種是通過控制飛機的升降舵，改變飛機的俯仰角來控制速度；第二種是通過控制油門的大小，改變發(fā)動機的推力來控制飛機的速度；第三種是通過速度和俯仰角解耦的控制方案。通過控制飛機的升降舵，改變飛機俯仰角的大小來控制速度的物理實質(zhì)是控制飛機升降舵后，飛機的俯仰角發(fā)生了變化，因此重力在速度方向的分量也會隨之變化，所以實現(xiàn)了速度的改變【7】。其控制系統(tǒng)框圖如下所示：圖1 通過控制升降舵來控制飛機速度在這個方案中，飛機油門桿的位置不發(fā)生變化，只是通過操縱升降舵來控制飛機的飛行速度，所以飛行速度的調(diào)節(jié)范圍十分有限。通過控制飛機油門的大小，改變發(fā)動機的推力來控制飛機的速度時，系統(tǒng)的控制框圖如下所示：圖2 通過油門大小控制飛機速度此方案的缺點是如果升降舵不發(fā)生變化，則達不到速度控制的預期目的。油門桿做階躍唯一的結(jié)果，往往是飛機的速度沒有發(fā)生變化，而俯仰角反而發(fā)生變化了。所以，油門桿移動的結(jié)果由于飛機的姿態(tài)發(fā)生了變化，達不到原來的控制速度的目的【8】。在前面的兩種不同的控制飛機速度方法中，當改變飛機的速度之后，飛機的角度肯定會受到影響而改變，所以說，控制飛機速度和俯仰角是耦合的。因此如果要精確控制飛機的速度，必須對此系統(tǒng)進行解耦操作，這就需要在飛機的油門和自動駕駛儀之間增加相互交聯(lián)的信號，但是要想完全的解耦是不可能的，其系統(tǒng)框圖如下所示：圖3 通過解耦控制飛機速度對于飛機動力學模型，系統(tǒng)主導極點的理想阻尼比；特征參數(shù)為當飛機飛行狀態(tài)中從中等重量巡航變成輕重量降落時。由前面的分析可知，微分方程難于求得解析解，因而不利于在控制中直接應(yīng)用。因此本文主要用傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)框圖的形式對飛機速度控制系統(tǒng)進行建模。對于飛機速度控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的物理特性和自動控制理論知識，可以得到整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖4 模擬飛機速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)設(shè)計主要是控制器的設(shè)計，這是自動控制中最為重要的部分。整個系統(tǒng)通過傳感器測量系統(tǒng)的狀態(tài)信息，輸入到計算機中，計算機把輸出信號和期望信號比較，得到偏差信號，把這個偏差信號送到控制器，控制器根據(jù)偏差信號結(jié)算出相應(yīng)的控制信號，來控制被控對象，使系統(tǒng)的輸出信號更加接近期望信號，滿足系統(tǒng)的性能，這里的控制器就相當于飛機上的飛控計算機。速率陀螺是一種自轉(zhuǎn)軸繞輸出軸主要受彈性約束的單自由度陀螺儀。速率陀螺的是根據(jù)陀螺儀的原理，利用陀螺的進動特性，陀螺外殼轉(zhuǎn)動的角速度和陀螺的進動角度成正比關(guān)系，所以，利用傳感器得到了速率陀螺儀進動的角度，就能得到陀螺儀外殼的角速度。把陀螺儀的外殼和飛機固連起來，那么陀螺儀的角速度就是飛機的速度，因此就可以測量到飛機的速度。當飛機和陀螺儀的外殼一同以某個角速度旋轉(zhuǎn)時，陀螺的內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)子會相對于飛機進行轉(zhuǎn)動。陀螺儀中含有彈簧限制這個相對的轉(zhuǎn)動量，陀螺的轉(zhuǎn)子進度角度正好正比于彈簧的形變量。當整個陀螺儀處于平衡狀態(tài)時，測量這個進動角度就可以換算出飛機的角速度。其中，速率陀螺包括積分陀螺儀和速度陀螺儀。在本論文的飛機速度控制系統(tǒng)中，作動器接收飛控計算機的控制信號，經(jīng)過作動器的運動，改變系統(tǒng)的狀態(tài)，使系統(tǒng)的狀態(tài)滿足所需要的指標，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，在圖3中取。已知將三個參數(shù)代入到系統(tǒng)中，可以得到飛機模型的傳遞函數(shù)： (1)本文的主要目的是設(shè)計合適的控制器，對飛機的速度進行控制，使其能夠跟蹤給定的期望輸入信號，由于已知執(zhí)行器的傳遞函數(shù)和飛機動力學模型的傳遞函數(shù)，可以把執(zhí)行器和飛機動力學模型等效為一個被控對象，這個被控對象的傳遞函數(shù)表示如下： (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以簡化為如下形式：圖5 模擬飛機速度控制系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖3模擬飛機速度控制系統(tǒng)性能分析及系統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)的時域分析法是一種直接在時間域中系統(tǒng)的性能進行分析的方法，由于這種方法是直接在時域中進行分析，所以它具有直觀和準確的優(yōu)點，并且能夠提供系統(tǒng)時間響應(yīng)的全部信息。評價一個控制系統(tǒng)的好壞有很多種指標，可以把這些指標分成兩個大類，一類是動態(tài)性能指標，另一類是靜態(tài)的性能指標。給系統(tǒng)輸入一個信號，想要得到系統(tǒng)的輸出信號，就必須得到輸入信號的精確表達式【9】。但是，控制信號的輸入信號一般是無法得到的，并且在實際控制系統(tǒng)中，存在著各種噪聲干擾，所以這就需要用其他的方法進行處理。一般來說，會選用比較經(jīng)典的信號來測試系統(tǒng)，這些經(jīng)典的信號要選取條件最惡劣的信號，假如在條件最惡劣的信號之下，系統(tǒng)都能夠很好的運行，那么說明系統(tǒng)的性能很好。而對于一個確定的信號下，控制系統(tǒng)輸出信號的過程都可以分成兩個部分，一個是動態(tài)的過程，比如系統(tǒng)從初始狀態(tài)到達穩(wěn)態(tài)的過程，另一個穩(wěn)態(tài)的過程，系統(tǒng)狀態(tài)保持不變的過程。實際的控制系統(tǒng)中，存在著各種干擾，非線性，延遲等一系列因素，系統(tǒng)的輸出量不可能完完全全和系統(tǒng)的輸入量相同【10】。在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計過程中，既要考慮系統(tǒng)的動態(tài)性能，比如快速性和穩(wěn)定性，也要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，比如穩(wěn)態(tài)后的誤差。典型的輸入信號分為好多種，單位階躍信號算是其中的一種。階躍信號是條件比較惡劣的信號，它是突然給系統(tǒng)添加了一個很大的誤差。如果系統(tǒng)能夠在條件如此惡劣的輸入信號下保持較好的性能指標，那么這個系統(tǒng)就是合格的，當輸入其他類型的信號時，這個系統(tǒng)也能達到相應(yīng)的指標。對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，其動態(tài)過程的很多指標，都是在在階躍函數(shù)的作用下定義的【10】。由上面的定義可知，系統(tǒng)的動態(tài)性能指標和靜態(tài)性能指標都是在單位階躍的輸入下定義的。各項指標表示如下：圖6 系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng)的動態(tài)過程是指系統(tǒng)在輸入信號的作用下，由系統(tǒng)的原始狀態(tài)到達穩(wěn)態(tài)的過程。系統(tǒng)的動態(tài)性能指標描述的是系統(tǒng)在動態(tài)過程中的性能，比如快速性。系統(tǒng)的動態(tài)性能指標如下所示：(R