【正文】 ，所以需要增大對(duì)飛機(jī)速度的自控制系統(tǒng)【2】。綜合來說，飛機(jī)速度控制的必要性主要有幾下幾點(diǎn)：由于現(xiàn)代航空業(yè)的發(fā)展迅速，各個(gè)機(jī)場(chǎng)的客流量越來越大，機(jī)場(chǎng)需要按照嚴(yán)格的時(shí)刻表對(duì)飛機(jī)進(jìn)行調(diào)度，所以現(xiàn)在對(duì)飛機(jī)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(duì)于超高速飛機(jī)來說，飛機(jī)的速度很大，因此速度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響因子增大，所以必須要嚴(yán)格控制飛機(jī)的速度精度【2】。速度控制是航跡控制的必要前提，如果飛機(jī)的速度控制不好，那么控制航跡是不可能實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)飛機(jī)在突破音速的瞬間，必須要突破音障，這個(gè)時(shí)候飛機(jī)穩(wěn)定性會(huì)急劇下降，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須精確控制飛機(jī)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?jī)?nèi)容論文的主要工作是以控制飛機(jī)速度為中心，對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和分析，根據(jù)分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)了相關(guān)的控制器，通過Matlab軟件仿真后，實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果，滿足了系統(tǒng)的性能指標(biāo)【3】。本論文主要從以下幾個(gè)部分進(jìn)行分析：1. 對(duì)飛機(jī)速度控制系統(tǒng)建模。根據(jù)飛機(jī)速度控制的硬件描述，建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。常用的數(shù)學(xué)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(jī)速度控制的傳遞函數(shù)模型。2. 從時(shí)域的角度分析了系統(tǒng)的性能指標(biāo)。從時(shí)域出發(fā)，分析了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，比如動(dòng)態(tài)特性的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)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(biāo)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(jìn)行設(shè)計(jì)控制器。3. 根據(jù)建立的模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。建立模型之后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性都不能滿足要求，所以要設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行控制。4. 設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的PID控制器。通過對(duì)PID控制器的介紹，分析了PID控制器的優(yōu)點(diǎn)，以及PID控制器中三個(gè)參數(shù)對(duì)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(gè)參數(shù)， 通過在Matlab中編程仿真，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)得到提高。5. 根軌跡法對(duì)系統(tǒng)的控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。前面設(shè)計(jì)的PID控制器雖然提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)，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(diǎn)放到了最佳阻尼比處，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)。6. 根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)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(duì)于所有的參數(shù)都滿足，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)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(biāo)進(jìn)一步得到提升，效果非常好，實(shí)現(xiàn)了控制的效果。2模擬飛機(jī)速度控制系統(tǒng)的工作原理與數(shù)學(xué)模型 模擬飛機(jī)速度控制系統(tǒng)工作原理 飛機(jī)速度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介對(duì)于飛機(jī)的飛控系統(tǒng)來說，可以分為兩個(gè)大類，其中第一種是人工飛行控制系統(tǒng)，另一種是自動(dòng)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(jī)的狀態(tài)，自己對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操作來完成相關(guān)的操作的系統(tǒng)。不是由飛行員對(duì)飛機(jī)直接操作，而是飛機(jī)自動(dòng)根據(jù)自身的狀態(tài)來調(diào)節(jié)自己的系統(tǒng)成為自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)就是自動(dòng)駕駛儀【4】。飛控系統(tǒng)由很多個(gè)不同的部分組成，這些部分都有各自不同的作用。比如飛機(jī)的屏顯設(shè)備、飛機(jī)的傳感器、飛機(jī)的機(jī)載計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)的執(zhí)行器，以及其他的接口設(shè)備組成。飛機(jī)的屏顯設(shè)備主要是顯示飛機(jī)的相關(guān)信息，比如飛機(jī)的姿態(tài)角、速度、機(jī)內(nèi)的溫度等。飛機(jī)的控制裝置是飛行員進(jìn)行操作的部件，比如駕駛桿、控制油門的設(shè)備。飛機(jī)的傳感器主要是測(cè)量飛機(jī)的相關(guān)量，比如飛機(jī)的姿態(tài)角、位置、空速、飛機(jī)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(hào)或者光信號(hào)，輸送到飛控計(jì)算機(jī)，然后由飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作。飛行控制計(jì)算機(jī)是飛行控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，它接收飛機(jī)上傳感器的信息，判斷飛機(jī)所處的狀態(tài)，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的指令或者飛行員發(fā)出的指令做出對(duì)應(yīng)的操作，來控制各個(gè)部件運(yùn)行。飛機(jī)上的執(zhí)行器是飛行控制系統(tǒng)的“手”，它接收飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，進(jìn)行相關(guān)的操作，比如控制飛機(jī)的舵機(jī)、飛機(jī)的起落架等部件。飛控系統(tǒng)的自測(cè)試裝置用來測(cè)量飛機(jī)的實(shí)時(shí)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(cè)到不正常的狀態(tài)，自測(cè)試裝置就會(huì)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(jī)上不同部分之間用不同的接口進(jìn)行連接【5】。飛機(jī)速度控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要包括以下幾個(gè)部分：①測(cè)量元件或稱為敏感元件測(cè)量元件主要用來測(cè)量飛機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)。飛機(jī)的角速度主要用速率陀螺來測(cè)量，飛機(jī)姿態(tài)角中的俯仰角則主要用垂直陀螺來測(cè)量，飛機(jī)的偏航角主要用飛機(jī)的航向陀螺測(cè)量。②信號(hào)處理元件或者成為計(jì)算元件飛機(jī)中的計(jì)算元件的功能主要是轉(zhuǎn)換信號(hào)。比如傳感器測(cè)量的信息含有噪聲，則濾波器就是來濾除飛機(jī)的噪聲信號(hào)。飛控計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)，超出了執(zhí)行器所能接受的范圍，計(jì)算元件中的限幅器就會(huì)把控制信號(hào)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(hào)進(jìn)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(jī)上的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)，并進(jìn)行一定的放大處理之后，帶動(dòng)相關(guān)部件運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。隨著飛行控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來越多，它可以實(shí)現(xiàn)的主要功能有：①使飛機(jī)在三個(gè)軸向上保持相對(duì)的穩(wěn)定，即飛機(jī)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(jì)算機(jī)，比如期望的飛機(jī)速度，飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)飛機(jī)實(shí)際的速度和期望的速度，輸出控制信號(hào)，使實(shí)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(hào)之后，控制飛機(jī)按照期望的高度和速度飛行。④飛控系統(tǒng)和管理飛機(jī)飛行的計(jì)算機(jī)結(jié)合在一塊，使飛機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的速度進(jìn)行飛行，滿足一定的任務(wù)目標(biāo)。 飛機(jī)速度控制主要有三種方案，第一種是通過控制飛機(jī)的升降舵，改變飛機(jī)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(dòng)機(jī)的推力來控制飛機(jī)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(jī)的升降舵，改變飛機(jī)俯仰角的大小來控制速度的物理實(shí)質(zhì)是控制飛機(jī)升降舵后，飛機(jī)的俯仰角發(fā)生了變化，因此重力在速度方向的分量也會(huì)隨之變化，所以實(shí)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(jī)速度在這個(gè)方案中，飛機(jī)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(jī)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(jī)油門的大小，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的推力來控制飛機(jī)的速度時(shí)，系統(tǒng)的控制框圖如下所示：圖2 通過油門大小控制飛機(jī)速度此方案的缺點(diǎn)是如果升降舵不發(fā)生變化，則達(dá)不到速度控制的預(yù)期目的。油門桿做階躍唯一的結(jié)果，往往是飛機(jī)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(dòng)的結(jié)果由于飛機(jī)的姿態(tài)發(fā)生了變化，達(dá)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(jī)速度方法中，當(dāng)改變飛機(jī)的速度之后，飛機(jī)的角度肯定會(huì)受到影響而改變，所以說，控制飛機(jī)速度和俯仰角是耦合的。因此如果要精確控制飛機(jī)的速度，必須對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行解耦操作，這就需要在飛機(jī)的油門和自動(dòng)駕駛儀之間增加相互交聯(lián)的信號(hào)，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(jī)速度對(duì)于飛機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的理想阻尼比；特征參數(shù)為當(dāng)飛機(jī)飛行狀態(tài)中從中等重量巡航變成輕重量降落時(shí)。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(duì)飛機(jī)速度控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。對(duì)于飛機(jī)速度控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的物理特性和自動(dòng)控制理論知識(shí)，可以得到整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖4 模擬飛機(jī)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是控制器的設(shè)計(jì)，這是自動(dòng)控制中最為重要的部分。整個(gè)系統(tǒng)通過傳感器測(cè)量系統(tǒng)的狀態(tài)信息，輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)把輸出信號(hào)和期望信號(hào)比較，得到偏差信號(hào)，把這個(gè)偏差信號(hào)送到控制器，控制器根據(jù)偏差信號(hào)結(jié)算出相應(yīng)的控制信號(hào)，來控制被控對(duì)象，使系統(tǒng)的輸出信號(hào)更加接近期望信號(hào)，滿足系統(tǒng)的性能，這里的控制器就相當(dāng)于飛機(jī)上的飛控計(jì)算機(jī)。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(jìn)動(dòng)特性，陀螺外殼轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和陀螺的進(jìn)動(dòng)角度成正比關(guān)系，所以，利用傳感器得到了速率陀螺儀進(jìn)動(dòng)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(jī)固連起來，那么陀螺儀的角速度就是飛機(jī)的速度，因此就可以測(cè)量到飛機(jī)的速度。當(dāng)飛機(jī)和陀螺儀的外殼一同以某個(gè)角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，陀螺的內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)子會(huì)相對(duì)于飛機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。陀螺儀中含有彈簧限制這個(gè)相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)量，陀螺的轉(zhuǎn)子進(jìn)度角度正好正比于彈簧的形變量。當(dāng)整個(gè)陀螺儀處于平衡狀態(tài)時(shí)，測(cè)量這個(gè)進(jìn)動(dòng)角度就可以換算出飛機(jī)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(jī)速度控制系統(tǒng)中，作動(dòng)器接收飛控計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)，經(jīng)過作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，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(biāo)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，在圖3中取。已知將三個(gè)參數(shù)代入到系統(tǒng)中，可以得到飛機(jī)模型的傳遞函數(shù)： (1)本文的主要目的是設(shè)計(jì)合適的控制器，對(duì)飛機(jī)的速度進(jìn)行控制，使其能夠跟蹤給定的期望輸入信號(hào)，由于已知執(zhí)行器的傳遞函數(shù)和飛機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的傳遞函數(shù)，可以把執(zhí)行器和飛機(jī)動(dòng)力學(xué)模型等效為一個(gè)被控對(duì)象，這個(gè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)表示如下： (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以簡(jiǎn)化為如下形式：圖5 模擬飛機(jī)速度控制系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖3模擬飛機(jī)速度控制系統(tǒng)性能分析及系統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法是一種直接在時(shí)間域中系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析的方法，由于這種方法是直接在時(shí)域中進(jìn)行分析，所以它具有直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠提供系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的全部信息。評(píng)價(jià)一個(gè)控制系統(tǒng)的好壞有很多種指標(biāo)，可以把這些指標(biāo)分成兩個(gè)大類，一類是動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，另一類是靜態(tài)的性能指標(biāo)。給系統(tǒng)輸入一個(gè)信號(hào)，想要得到系統(tǒng)的輸出信號(hào)，就必須得到輸入信號(hào)的精確表達(dá)式【9】。但是，控制信號(hào)的輸入信號(hào)一般是無法得到的，并且在實(shí)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(jìn)行處理。一般來說，會(huì)選用比較經(jīng)典的信號(hào)來測(cè)試系統(tǒng)，這些經(jīng)典的信號(hào)要選取條件最惡劣的信號(hào)，假如在條件最惡劣的信號(hào)之下，系統(tǒng)都能夠很好的運(yùn)行，那么說明系統(tǒng)的性能很好。而對(duì)于一個(gè)確定的信號(hào)下，控制系統(tǒng)輸出信號(hào)的過程都可以分成兩個(gè)部分，一個(gè)是動(dòng)態(tài)的過程，比如系統(tǒng)從初始狀態(tài)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的過程，另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過程，系統(tǒng)狀態(tài)保持不變的過程。實(shí)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(jì)過程中，既要考慮系統(tǒng)的動(dòng)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(hào)分為好多種，單位階躍信號(hào)算是其中的一種。階躍信號(hào)是條件比較惡劣的信號(hào)，它是突然給系統(tǒng)添加了一個(gè)很大的誤差。如果系統(tǒng)能夠在條件如此惡劣的輸入信號(hào)下保持較好的性能指標(biāo)，那么這個(gè)系統(tǒng)就是合格的，當(dāng)輸入其他類型的信號(hào)時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)也能達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)過程的很多指標(biāo)，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(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和靜態(tài)性能指標(biāo)都是在單位階躍的輸入下定義的。各項(xiàng)指標(biāo)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(dòng)態(tài)過程是指系統(tǒng)在輸入信號(hào)的作用下，由系統(tǒng)的原始狀態(tài)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的過程。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)描述的是系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中的性能，比如快速性。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如下所示：(R