舰载飞机的进场动力补偿和自动油门控制系统设计

摘要

舰上起降是常规起降固定翼舰载飞机所面临的核心技术问题。为确保舰载飞机安全着舰，自动着舰系统(Automatic Carrier Landing System，ACLS)被用于进场着舰引导和精确航迹控制。作为ACLS的一个重要子系统，进场动力补偿系统(Approach Power Compensator System，APCS)按进场动力补偿控制律对发动机油门(推力)进行自动控制，以克服舰载飞机低速进场时的速度不稳问题，提高航迹控制精度，并减轻飞行员在进场着舰段的工作负荷。要对发动机油门进行自动控制，就需要有自动油门控制系统(Automatic Throttle Control System，ATCS)。针对实际工程应用，本文对舰载飞机的进场动力补偿系统APCS和自动油门控制系统ATCS进行了研究。 本文首先分析了不同的 APCS补偿结构及其效果。基于飞机纵向小扰动动力学方程，忽略风扰因素、舵面变化和短周期力矩平衡过程，对含有APCS的航迹γ，对姿态θ的响应环节的控制结构进行了简化，并推导了其传递函数，以简化分析APCS对航迹响应的影响。然后仿真分析了①无APCS补偿、②采用速度恒定的APCS|u补偿、③采用迎角恒定APCS|α补偿、④采用同时引入迎角α和法向加速度nz的APCS|α+nz补偿对航迹响应的影响。验证了APCS|α+nz对加速航迹响应过程、抑制长周期振荡，进而改善航迹响应特性的效果。 针对某工程应用，确定了APCS的补偿结构、设计了控制律和自动油门指令算法。设计中采用APCS|α+nz+δe补偿结构，即在迎角恒定的APCS中同时引入迎角α、法向加速度nz和舵面变化信息δe。针对这种补偿结构，进行了系统参数设计，得到了APCS控制律和自动油门指令算法，并对航迹响应特性的进行了仿真分析，以验证APCS系统设计结果。 介绍了一种改进设计的机/电双操纵模式的自动油门控制系统ATCS。在自动模式下，ATCS按照APCS控制律对发动机油门进行自动控制。本文对该系统的基本原理、控制逻辑及主要组成进行了简要介绍，特别是对自动油门伺服装置进行了介绍。 介绍了自动油门控制系统的试验测试与验证。试验内容包括单元件特性测试和系统综合性能测试。在单元件特性测试中，测试了力矩开关、油门台、自动油门伺服装置和轮盘传动组件等单元件性能。在系统综合测试中，测试了系统对阶跃指令、正弦指令、随机指令等指令信号的响应特性，测试并验证了系统在模式切换时的响应特性。试验结果表明，该系统设计是可行的，能满足APCS进行自动油门控制的需要。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引 言

1.1选题背景

1.2研究内容和主要工作

1.3论文内容与结构

第二章进场动力补偿与自动油门控制

2.1舰上起降是舰载飞机面临的核心技术问题

2.2 自动着舰控制与进场动力补偿

2.2.1 自动着舰系统

2.2.2进场动力补偿与自动油门控制

2.2.3 ACLS、APCS和ATCS的层次关系

2.3国内外研究现状

2.3.1 国外研究概述

2.3.2 国内研究现状

2.4本章小结

第三章舰载飞机进场动力补偿结构分析

3.1 飞机纵向运动基本方程

3.1.1 相关术语

3.1.2飞机纵向小扰动方程

3.1.3垂直下沉速度方程

3.1.4法向加速度方程

3.2简化的飞机Wθγ(s)控制结构和传递函数

3.2.1 简化的飞机Wθγ(s)控制结构

3.2.2 飞机Wθγ(s)的一般传递函数形式

3.3 不同APCS补偿结构对Wθγ(s)的影响

3.3.1 无动力补偿的自然飞机的Wθγ(s)

3.3.2速度恒定APCS对Wθγ(s)的影响

3.3.3 迎角恒定APCS对Wθγ(s)的影响

3.3.4 在APCS|α中再引入nz控制信息

3.3.5 APCS的完整结构

3.4本章小结

第四章舰载飞机进场动力补偿系统设计

4.1某APCS的设计准则和要求

4.2某APCS的补偿结构

4.3 自动油门控制系统控制特性

4.4 APCS控制律参数设计与验证

4.4.1 参数设计

4.4.2 参数验证

4.5 APCS控制律和油门指令算法

4.6本章小结

第五章 自动油门控制系统设计

5.1某型自动油门控制系统方案

5.1.1 系统定义

5.1.2 系统方案

5.2系统的操纵控制逻辑

5.3系统组成及主要部件

5.4自动油门伺服装置研制

5.4.1 自动油门伺服装置的功能需求分析

5.4.2 自动油门伺服装置的研制方案

5.4.3 自动油门伺服装置设计

5.4.4 自动油门伺服装置研制结果

5.5本章小结

第六章 自动油门控制系统原理试验

6.1试验台简介

6.1.1 组建试验台的目的和要求

6.1.2试验测试方案

6.1.3 试验台组建结果

6.2试验台测控软件

6.2.1 测控软件的功能模块

6.2.2主控制程序的运行逻辑

6.3试验内容与试验结果

6.3.1 试验内容

6.3.2试验结果与分析

6.4试验结论

6.5本章小结

第七章总结与展望

7.1论文总结

7.2 工作展望

7.3本章小结

致 谢

参考文献

作者在攻硕期间取得的成果