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1 大型民机的建模与特性1

1.1 飞行力学基本概念1

1.1.1 空气动力学基本知识1

1.1.2 飞机的空间运动与操纵机构6

1.1.3 纵向气动力与气动力矩14

1.1.4 横航向气动力与气动力矩28

1.1.5 操纵面的铰链力矩34

1.2 刚体飞机方程35

1.2.1 飞机动力学方程35

1.2.2 飞机运动学方程44

1.3 飞行的平衡状态与飞机非线性模型的线性化45

1.3.1 小扰动原理与线性化方法45

1.3.2 飞行中平衡状态的定义与平衡飞行条件46

1.3.3 基于小扰动原理的线性方程导出48

1.3.4 飞机线性方程的纵向与横航向分类51

1.3.5 飞机六自由度线性方程51

1.3.6 飞机的平衡状态及线性化的数值求解方法53

1.4 飞机纵向运动特征分析56

1.4.1 飞机纵向方程的解与模态特征56

1.4.2 飞机纵向运动的模态描述57

1.4.3 短周期模态的传递函数与特性分析58

1.4.4 长周期模态的传递函数与特性描述64

1.4.5 定速静稳定性与定载静稳定性66

1.4.6 空速与高度变化对纵向模态特征参数的影响68

1.4.7 油门杆偏转的动力学响应70

1.5 飞机横航向特征分析73

1.5.1 飞机横航向方程的解与响应特性73

1.5.2 横航向扰动运动的典型模态74

1.5.3 三种模态的简化处理法76

1.5.4 横航向运动的传递函数77

1.5.5 横航向运动的近似传递函数82

1.5.6 空速、高度变化对横航动力学的影响82

1.5.7 气动导数变化对横侧动力学特性的影响83

1.6 飞机本体特性与飞行稳定性与飞行品质的关系84

1.7 结语85

参考文献85

2 大型民机的飞行性能与飞行品质86

2.1 飞行性能86

2.1.1 发动机推力特性89

2.1.2 飞行包线与航程92

2.1.3 协调转弯特性94

2.2 飞行品质97

2.2.1 民机CCAR-25部适航要求98

2.2.2 国内外对民机的飞行品质评估概念和方法103

2.2.3 部分可借用的军机飞行品质评估标准108

2.2.4 关于大型民机的飞行品质算例分析111

2.3 结语119

参考文献120

3 民机飞控系统的传感器与执行机构系统122

3.1 概述122

3.1.1 民机飞控系统中的传感器122

3.1.2 民机飞控系统中的执行机构125

3.2 飞控系统中的测量变量128

3.2.1 飞行中需要的测量变量128

3.2.2 飞行状态的可测试性及其误差的影响128

3.2.3 传感器信号的处理130

3.3 民机中常用的传感器131

3.3.1 空气动力学相关的变量与传感器131

3.3.2 惯性变量与传感器136

3.3.3 其他变量、GPS功能143

3.3.4 导航系统144

3.4 传感器的容错与重构146

3.4.1 传感器信号对飞控系统的影响146

3.4.2 传感器的故障模式与容错要求146

3.4.3 传感器系统的余度结构与监控表决147

3.4.4 监控表决系统的局限性与信号重构149

3.5 大型民机的操纵与执行机构系统150

3.5.1 大型民机的操纵面150

3.5.2 大型民机的执行机构153

3.5.3 飞控计算机与执行机构的连接162

3.5.4 几种典型大型民机的执行机构164

3.6 对执行机构系统的要求169

3.6.1 飞控系统对执行机构系统的要求169

3.6.2 适航对执行机构的要求171

3.7 执行机构系统的余度设计与余度管理172

3.8 操纵面的容错及控制重构174

3.8.1 操纵面故障模式及其影响分析174

3.8.2 操纵面故障下的控制重构概念与系统设计175

3.9 结语176

参考文献176

4 民机电传操纵与主飞控系统控制律设计178

4.1 民机电传飞控系统的发展与现状178

4.1.1 飞机飞控系统的基本结构178

4.1.2 电传飞控系统的发展及收益179

4.1.3 民机电传飞控系统的结构与功能182

4.2 民机主飞控系统控制律结构功能分析183

4.2.1 主飞控系统控制律基本结构183

4.2.2 A320电传飞控系统增稳控制律实例分析188

4.3 民机主动控制技术及应用190

4.3.1 民机采用的主动控制技术190

4.3.2 A320边界保护功能191

4.3.3 A320的机翼载荷减缓控制192

4.4 主飞控系统的控制律设计193

4.4.1 主飞控系统增稳与控制增稳控制律设计193

4.4.2 边界保护系统设计225

4.4.3 阵风减缓与乘坐品质控制律设计232

4.5 飞控系统的多模态控制律的实时切换250

4.5.1 控制模态的逻辑管理250

4.5.2 控制模态转换瞬态影响的抑制方法251

4.5.3 动态环节初始化252

4.6 民机高升力控制分系统简介252

4.6.1 民机高升力控制分系统252

4.6.2 B777飞机高升力控制分系统254

4.6.3 A380飞机高升力控制分系统描述258

4.7 结语262

参考文献262

5 民机自动飞行控制系统264

5.1 民机自动飞行控制系统的功能与要求264

5.1.1 民机自动飞行控制系统的结构与功能264

5.1.2 民机自动飞行控制系统设计要求268

5.2 民机的姿态控制271

5.2.1 姿态控制271

5.2.2 协调转弯控制274

5.3 空速与马赫数控制277

5.3.1 控制空速与马赫数控制的作用277

5.3.2 空速与马赫数控制策略与系统构成278

5.4 高度与侧向偏离控制280

5.4.1 高度控制280

5.4.2 侧向偏离控制282

5.5 航迹控制284

5.5.1 自动爬升控制284

5.5.2 自动导航控制287

5.5.3 自动着陆控制293

5.6 自动油门系统298

5.6.1 系统的组成和工作原理298

5.6.2 自动油门系统设计300

5.6.3 典型民机的自动油门系统302

5.6.4 综合飞行推进控制304

5.7 自动配平系统305

5.7.1 俯仰自动杆力配平306

5.7.2 马赫数配平系统307

5.8 自动飞行功能的实现308

5.8.1 空客A380自动飞行系统308

5.8.2 波音B777自动飞行系统311

5.9 民机自动飞行控制系统的发展趋势313

5.10 结语315

参考文献315

6 飞行控制系统设计的现代控制理论与方法316

6.1 LQR设计方法317

6.1.1 性能指标317

6.1.2 基本设计方法319

6.1.3 模型跟踪方法319

6.1.4 线性二次Gauss／回路传输恢复322

6.2 鲁棒控制设计方法325

6.2.1 系统的鲁棒性325

6.2.2 线性矩阵不等式325

6.2.3 H∞控制器设计327

6.2.4 μ综合方法329

6.3 特征结构配置方法333

6.3.1 特征结构分析333

6.3.2 行为的实时模态334

6.3.3 特征结构配置335

6.3.4 解耦需求337

6.3.5 鲁棒性需求338

6.3.6 耦合约束下的鲁棒性339

6.3.7 特征结构配置特点和设计过程339

6.4 非线性动态逆设计方法340

6.4.1 动态逆设计基本原理340

6.4.2 快逆控制器设计341

6.4.3 慢逆控制器设计345

6.4.4 非线性动态逆方法特点346

6.5 模糊增益调参鲁棒控制347

6.5.1 飞控系统T-S模糊建模347

6.5.2 控制器设计过程和原理350

6.6 鲁棒控制设计实例352

6.6.1 系统结构和性能指标要求353

6.6.2 俯仰角保持354

6.6.3 高度保持357

6.6.4 自动着陆359

6.6.5 横侧向飞行控制系统设计364

6.6.6 阵风减缓主动控制器设计369

6.7 特征结构配置设计实例373

6.7.1 RCAM控制问题373

6.7.2 进近着陆仿真374

6.7.3 设计性能规范375

6.7.4 控制器结构377

6.7.5 期望特征结构380

6.7.6 控制器综合383

6.7.7 控制器分析384

6.7.8 控制器优化387

6.7.9 非线性仿真389

6.8 结语393

参考文献395

7 民机电传操纵系统的可靠性与安全性设计397

7.1 民机飞控系统的可靠性与安全性要求397

7.1.1 民机可靠性与安全性基本概念397

7.1.2 民机飞控系统安全性可靠性要求399

7.2 民机电传飞控系统的余度设计402

7.2.1 余度技术及余度管理402

7.2.2 余度飞行控制系统设计体系与设计原则406

7.3 现代民机的余度飞行控制系统412

7.3.1 波音系列的余度飞行控制系统413

7.3.2 空客系列的余度飞行控制系统421

7.4 民机飞控系统的可靠性分析与设计432

7.4.1 余度飞控系统可靠性建模432

7.4.2 民机飞控系统的可靠性分配435

7.4.3 余度飞控系统可靠性预估方法438

7.4.4 系统可靠性分析方法452

7.4.5 民机电传飞控系统可靠性建模与分析454

7.5 民机飞控系统的安全性分析与设计459

7.5.1 电传飞控系统的安全性评估459

7.5.2 民用机载系统与设备安全性评估流程459

7.5.3 安全性评估中常用的验证方法462

7.5.4 电传飞控系统安全性设计464

7.6 结语464

参考文献465

8 大型民机的飞行管理系统467

8.1 大型民机的飞行管理系统概述467

8.1.1 飞行管理系统的体系结构与功能构成467

8.1.2 波音飞机飞行管理系统472

8.1.3 空客飞机飞行管理系统475

8.2 飞行管理系统中的飞行计划483

8.2.1 飞行计划模块的组成与系统结构483

8.2.2 导航数据库484

8.2.3 水平飞行计划484

8.2.4 垂直飞行计划490

8.3 飞行管理系统中的综合导航494

8.3.1 综合导航模块的组成和结构494

8.3.2 导航模式管理495

8.3.3 导航计算496

8.3.4 无线电自动调谐498

8.3.5 导航性能计算500

8.4 飞行管理系统中的轨迹预测与制导501

8.4.1 性能计算501

8.4.2 水平轨迹预测503

8.4.3 垂直轨迹预测506

8.4.4 轨迹制导506

8.5 结语518

参考文献518

9 结构弹性模态与飞行控制系统的耦合519

9.1 结构的弹性振动521

9.1.1 结构弹性振动的基本理论521

9.1.2 典型民机结构弹性振动模态524

9.2 气动伺服弹性力学基础525

9.2.1 气动伺服弹性概念526

9.2.2 气动伺服弹性基本方程527

9.2.3 气动伺服弹性稳定性分析方法532

9.2.4 民机气动伺服弹性稳定性分析算例534

9.3 增稳控制律中的结构滤波器设计537

9.3.1 增稳控制律中的结构滤波器设计方法537

9.3.2 民机结构滤波器设计示例539

9.4 弹性飞机的阵风响应分析与减缓540

9.4.1 阵风模型与描述540

9.4.2 连续阵风响应分析的数学建模542

9.4.3 国外大型飞机的阵风减缓活动543

9.4.4 阵风响应主动减缓的试验研究与验证547

9.5 结构模态耦合试验与气动伺服弹性飞行试验549

9.5.1 飞机结构模态耦合试验方法简介549

9.5.2 气动伺服弹性飞行试验方法简介553

9.6 结语555

参考文献555

10 民机飞控系统的评估与确认简介及飞行控制律评估与确认556

10.1 飞行控制系统开发过程556

10.1.1 系统开发过程556

10.1.2 飞行控制系统开发计划558

10.2 飞控系统评估与确认560

10.2.1 系统级评估和确认561

10.2.2 软件及控制律的评估和确认563

10.3 飞行控制律的评估与确认565

10.3.1 飞行控制律开发过程565

10.3.2 飞行控制系统中不确定性分析566

10.3.3 评估准则568

10.4 控制律确认方法573

10.4.1 基于结构奇异值分析（μ分析）的评估与确认573

10.4.2 基于优化算法的评估与确认584

10.4.3 基于蒙特卡洛仿真的评估与确认591

10.5 飞行控制律评估与确认软件及算例分析594

10.5.1 飞行控制律评估与确认软件595

10.5.2 算例分析596

10.6 结语601

参考文献601

11 民机飞控系统的发展及挑战605

11.1 引言605

11.1.1 飞行器发展对飞行器控制技术的新需求605

11.1.2 民用飞机的发展及展望606

11.1.3 飞行器控制的新特征607

11.1.4 信息化环境与飞行器控制609

11.1.5 高可靠可重构容错系统610

11.1.6 飞控系统评估与确认611

11.2 飞控系统的主动容错技术612

11.2.1 操纵面故障检测与控制重构613

11.2.2 传感器故障检测与信息重构618

11.2.3 容错控制技术的应用619

11.2.4 发展趋势与挑战621

11.3 主动重心控制技术622

11.3.1 主动重心控制技术的研究进展622

11.3.2 主动重心控制应用实例623

11.3.3 主动重心控制系统设计626

11.4 分布式推进设计技术629

11.4.1 分布式推进技术的发展概况629

11.4.2 分布式推进系统的特点及其关键技术630

11.4.3 分布式推进布局飞机综合控制632

11.4.4 分布式推进控制仿真算例633

11.5 结语638

参考文献638

索引640