1.1 飞行控制的基本概念

1.1.1 飞行控制的分类

1. 人工飞行控制系统（MFCS）

人工飞行自动控制系统包含驾驶员输入信号，即有驾驶员参与操作，包括以下两种类型：一是带有阻尼、增稳的人工飞行控制系统；二是电传操纵系统。

2. 飞行自动控制系统（AFCS）

自动飞行是指用一套控制系统在无人直接参与的情况下，自动控制飞机的飞行，早期的飞行控制系统被称为自动驾驶仪。飞行自动控制系统除了实现飞机的自动飞行功能外，还能在特定情况下改善飞机的性能，提高飞行品质。飞机的飞行无需人的直接参与，它是完全按照预定的指令来完成各项飞行任务的，即飞机是由驾驶仪来操纵的，无人机的操纵就属于此类。

1.1.2 飞行控制系统的发展

飞行控制系统是飞行员用来操纵飞机上各个操纵面（例如升降舵和副翼等）实现机动飞行的系统，它包括主操纵系统和辅助操纵系统。

主操纵系统用来操纵升降舵、副翼和方向舵；

辅助操纵系统用来操纵调整片，水平稳定面以及起落架、襟翼等。

飞行控制系统的发展历程：

1. 机械操纵系统：

飞行员通过移动驾驶杆或脚蹬，经过传动机构操纵舵面。 

缺陷：升降舵不再适用于超音速飞机；随着舵面尺寸和飞行速度的增加，铰链力矩急剧增加，杆力也大大增加，对飞行员的体力要求很高；随着飞行高度与速度的增加，杆力梯度和杆位移梯度发生改变，严重影响飞行员操纵飞机。

2. 助力操纵系统：

在机械操纵系统中增设液压助力器，构成助力飞行控制系统。 

3. 全助力操纵系统： 

4. 增稳控制系统：

第一次将人工操纵与自动控制结合起来。 

5. 控制增稳系统：

在增稳系统的基础上增加一个杆力传感器和一个指令模型构成的，由机械通道、电气通道和增稳回路组成。电气与机械量通道并联，驾驶员操纵信号一房间通过机械链使舵面偏转某个角度，另一方面又通过杆力传感器输出指令信号，经指令模型与反馈信号综合后控制舵面偏转某个角度，总的舵面偏转角为上述两个舵面偏转角之和。

机械操纵系统的缺陷：

（1）在大型飞机上，机械操纵系统越来越笨重，尺寸也越来越大；

（2）系统内不可避免地存在一些非线性，如摩擦力和传动间隙等，其所产生的机械迟滞现象是从系统自振的重要因素；

（3）机械操纵系统直接固定在机体上，容易传递飞机的弹性振动，引起驾驶杆偏移，甚至造成人机诱发振荡；

（4）无法彻底解决高性能飞机操纵与稳定中的许多问题。

6. 电传操纵系统：

随控布局飞机：随控制技术布局的飞机，也就是飞机的布局决定于控制系统，并由控制系统的作用而获得所希望的气动特性和响应特性，飞行控制系统和气动力、飞机结构、发动机三大要素处于同等地位。

电传操纵系统：间飞行员操纵装置（驾驶杆、脚蹬）发生的信号经过变换器变成电信号，通过电缆直接传输到舵机的一种操纵系统。 

电传操纵系统的优势：

电传操纵系统应用了余度技术，解决了电气系统可靠性差的问题（四余度电传操纵系统故障概率可达10-8次/飞行小时），消除了人工飞行控制系统存在的间隙、摩擦、变形等非线性的不良影响，改善了微小信号的传递，也解决了驾驶杆带来的力反传问题，特别是提高了战伤生存能力。

1.1.3 无人机飞行控制系统的基本原理

飞行控制系统的作用：采用一套控制系统来代替驾驶员对飞机的操纵，因此这套系统必须具备驾驶仪的功能。

1. 人工操纵飞机的过程 

2. 自动飞行控制系统

它是一个“反馈”系统，即闭环系统。图中虚线框表示飞行员。

自动飞行是用自动控制系统代替飞行员（无人机），所以自动控制系统中必须包含与虚线框内四个部分相对应的装置，并与飞机构成一个闭环系统。

自动飞行的原理如下：飞机受到某种干扰后偏离了原始状态，敏感元件感受到飞机偏离的方向和大小，并输出相应信号，经放大、计算处理，操纵执行机构(舵机)，控制舵面相应偏转。由于整个系统是按负反馈的原则连接的，其结果是使飞机趋向原始状态。当飞机回到原始状态时，敏感元件输出信号为零，舵机以及与其相连的舵回也回到原位，飞机重新按原始状态飞行。

自动控制系统中的敏感元件、放大计算装置和执行机构可代替飞行员的眼睛、大脑神经系统和肢体，能自动地控制飞机的飞行。这三部分是飞行自动控制系统的核心，称之为自动驾驶仪（Autopilot）。

自动飞行的基本原理就是自动控制理论中最重要、最本质的“反馈原理”。实现自动飞行必须通过自动控制系统形成回路。不同的飞行任务要求组成各种不同的回路。为便于分析。认为这个复杂的自动飞行回路是由简单的内回路逐渐增添元部件形成新回路而得到的，具体地说，由三个回路组成。

（1）舵回路

飞行自动控制系统根据输入信号，通过执行机构（舵机）控制舵面。为改善舵机的性能，通常引人内反馈，形成随动系统，简称为舵回路。

舵回路由舵机、放大器及反馈元件组成。

各部分元件的作用：测速机测出舵面偏转的角速度，反馈给放大器，以增大舵回路的阻尼，改善舵回路的动态性能。位置传感器将舵面角度位置信号反馈给舵回路的输入端，实现一定的控制信号对应一定的舵偏角。 

（2）稳定回路

舵回路加上敏感元件和放大计算装置组成自动驾驶仪，并与飞机组成新回路即稳定回路。

该回路的主要功能是稳定飞机的姿态，或者说稳定飞机的角运动。敏感元件用来测量飞机的姿态角。由于该回路中包含了飞机，而飞机的动态特性又随飞行条件而异，使稳定回路的分析变得较为复杂。 

（3）控制回路

稳定回路加上测量飞机轨迹的部件以及运动学环节又组成一个更大的新回路，称为控制回路（或控制与导引回路，简称制导回路）。 

制导回路的工作原理：假设要求飞机在着陆前先沿预定的下滑轨迹下降到预定高度，然后将飞机拉平，飞机不断下降，最终以允许的下降速度着陆。预定的下滑轨迹是由机场的无线电装置形成的。飞机处于预定的下滑轨迹，飞机上相应的无线电接收机输出信号为零。飞机偏离下滑航迹，接收机输出相应极性和幅值的信号，送至稳定回路，在自动驾驶仪控制下飞机回到下滑航迹。飞机进入下滑航迹后，接收机输出信号为零，飞机保持在下滑航迹上。由此可见，飞机轨迹的运动是通过控制飞机的角运动来实现的。

三个回路在飞机的不同工作阶段，起着不同功用。简单说来，舵回路在操纵飞机时起关键作用，稳定回路在保持和稳定飞机的姿态时发挥功能，而控制回路则在飞机的起飞和着陆时工作。实际上作为一个能达到完全控制飞机的飞控系统，其结构要复杂得多，我们在此仅仅介绍了其基本工作原理和构成。