本书从直升机飞行控制的教学及工程实践要求出发，论述了直升机飞行控制基本原理、姿态控制及轨迹制导技术。主要内容包括直升机飞行动力学基本特性，直升机的数学建模，增稳与控制增稳，经典姿态控制，显模型跟踪自适应控制，自动飞行控制，现代飞行控制，直升机的轨迹自主生成与制导，无人直升机的着舰控制技术及直升机光传操纵系统。本书写作宗旨是重点突出物理实质，从物理概念入手解析直升机复杂的飞行控制理论，使工程设计方法有
据可循。由于在控制方法讲叙中力求与固定翼飞机的控制相对照与衔接，因此内容深入浅出，便于理解与自学。本书可作为飞行控制相关学科专业的本科生或研究生的教材，也可供从事直升机飞行控制技术的人员参考。
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第1章 直升机的基本工作原理 171.1 绪言 171.1.1 直升机发展概况 17
1.1.2 直升机的分类 21
1.1.3 直升机的控制 27
1.1.4 主动控制技术在直升机控制中的应用 29
1.2 直升机旋翼气动特性 301.2.1 直升机的组成 30
1.2.2 旋翼系统的结构 31
1.2.3 旋翼的类型 32
1.2.4 旋翼基本参数 33
1.2.5 旋翼基本空气动力特性 34
1.3 桨叶的挥舞运动 371.3.1 垂直飞行的均匀挥舞 37
1.3.2 前飞时的周期挥舞 38
1.3.3 挥舞系数的物理解释 39
1.4 直升机的操纵原理 411.4.1 直升机稳定与操纵基本概念 41
1.4.2 直升机的操纵机构 42
1.4.3 直升机的操纵特点 46
思考题 47
第2章 直升机飞行动力学 482.1 坐标系及其转换 482.1.1 地球坐标系O_e-X_eY_eZ_e 48
2.1.2 地面坐标系O_E-X_EY_EZ_E 49
2.1.3 机体坐标系O-XYZ 50
2.1.4 速度坐标系O-X_aY_aZ_a 52
2.1.5 机体坐标系O-XYZ与地面坐标系O_E—X_EY_EZ_E之间的关系 53
2.1.6 地理坐标与地面坐标的转换 56
2.1.7 三维空间坐标系之间的转换 56
2.2 作用于直升机上的气动力及气动力矩 57
2.3 直升机的平衡动力学 602.3.1 直升机的平衡方程 60
2.3.2 直升机悬停时的平衡 60
2.3.3 直升机平飞时的平衡 63
2.4 直升机的稳定性与操纵性 652.4.1 直升机的纵向静稳定性 65
2.4.2 直升机的航向静稳定性 67
2.4.3 直升机的横滚静稳定性 67
2.4.4 直升机的阻尼特性 68
2.4.5 直升机的操纵性 70
2.5 直升机运动学方程及特性分析 702.5.1 直升机动力学方程 70
2.5.2 小扰动线性化方程 74
2.5.3 小扰动全面运动微分方程及结构图数学模型 84
2.5.4 小扰动纵向运动微分方程及结构图数学模型 90
2.5.5 小扰动侧向运动微分方程及结构图数学模型 92
2.6 小型无人直升机动力学建模及物理特性分析 932.6.1 直升机增稳动力学结构 94
2.6.2 数学模型的建立 95
2.6.3 增稳动力学的状态空间模型 97
2.6.4 小型直升机增稳动力学的结构 98
思考题 104
第3章 直升机的增稳与控制增稳系统 1063.1 增稳与控制增稳系统的结构配置 106
3.2 增稳与控制增稳系统原理及设计方法 1093.2.1 增稳与控制增稳系统工作原理 109
3.2.2 增稳系统设计方法 109
3.3 典型控制增稳系统结构分析 1113.3.1 具有漏泄积分器的增稳系统 111
3.3.2 具有姿态角微分信息的控制增稳系统 113
3.3.3 一种重型直升机的控制增稳系统 114
3.3.4 有前后两旋翼的重型直升机的控制增稳系统 114
3.3.5 具有高度自动化水平的重型直升机的控制增稳系统 115
3.3.6 具有模型跟踪的控制增稳系统 117
思考题 117
第4章 直升机显模型跟踪控制系统 1184.1 显模型跟踪解耦自适应控制系统设计 1184.1.1 基本MFCS工作机理 118
4.1.2 显模型的设计 119
4.1.3 控制阵G_3的设计 120
4.2 系统的跟踪性能及解耦机理分析与仿真验证 122
4.3 系统参数优化 1304.3.1 控制阵G_3的增益阵R的选取 130
4.3.2 G_4阵的选取 130
4.3.3 G_1，G_2，G_5阵的选取 131
4.3.4 显模型带宽的选取 131
4.3.5 采样周期的选取 132
4.4 性能评估 1334.4.1 跟踪性能 133
4.4.2 解耦性能 133
4.4.3 鲁棒性 134
4.5 具有非线性特性的显模型跟踪系统的控制策略 136
4.6 基于MFCS的直升机协调转弯控制 1394.6.1 直升机航向协调控制模态结构配置 139
4.6.2 航向协调控制的动特性响应 140
思考题 141
第5章 直升机自动飞行控制系统 1425.1 直升机自动飞行控制一般结构 142
5.2 各类自动飞行模态一般控制律 1445.2.1 三轴姿态保持模态 144
5.2.2 空速保持模态 144
5.2.3 地速保持模态 144
5.2.4 自动悬停模态 145
5.2.5 气压高度保持模态 145
5.2.6 航向保持模态 146
5.2.7 自动区域导航模态 146
5.2.8 对目标的自动航向修正模态 147
5.2.9 垂直速度保持模态 147
5.2.10 自动飞行控制系统结构 147
5.3 基于MFCS的自动飞行模态设计 1485.3.1 外回路结构配置 149
5.3.2 传递矩阵T的确定 149
5.3.3 中回路FCS|_u，v，h，ψ控制律设计 151
5.3.4 FCS|_u，v，h，ψ性能验证及分析 152
5.3.5 FCS|_u，v，h，ψ抗气流扰动特性 153
5.4 直升机自动过渡飞行控制系统设计 1555.4.1 高度的自动过渡 155
5.4.2 前向速度的自动过渡 156
5.4.3 按指数规律拉平 157
5.4.4 自动过渡的高度与速度控制系统 157
5.4.5 自动过渡控制系统的性能 160
5.5 直升机旋翼转速自动控制方法 160
思考题 163
第6章 直升机现代飞行控制技术 1646.1 引言 164
6.2 高增益控制阵解耦的显模型跟踪控制系统设计 1646.2.1 高增益显模型跟踪系统 165
6.2.2 控制阵解耦的内回路结构 165
6.2.3 设计举例 167
6.2.4 数字仿真验证 169
6.2.5 中回路设计 170
6.3 隐模型解耦控制系统设计 1726.3.1 引言 172
6.3.2 隐模型解耦控制的结构配置 173
6.3.3 状态反馈阵和前馈补偿阵的设计 174
6.3.4 内回路设计的仿真验证 179
6.3.5 隐模型解耦控制中回路设计 181
6.4 H_∞回路成形控制设计 1816.4.1 H_∞回路成形控制的基本结构配置及设计方法 181
6.4.2 内回路的设计指标 183
6.4.3 中回路设计技术 185
6.4.4 H_∞回路成形内回路设计举例 188
6.5 基于显模型的飞行轨迹制导系统设计 1956.5.1 控制器设计 195
6.5.2 仿真与分析 197
思考题 201
第7章 直升机轨迹生成与制导 2027.1 引言 202
7.2 制导系统的一般结构 202
7.3 直升机舰上起飞过程及轨迹生成 2047.3.1 Z_E轴的轨迹生成 205
7.3.2 X_E轴的轨迹生成 206
7.4 直升机着舰过程及轨迹生成 2087.4.1 返航进场阶段轨迹生成 208
7.4.2 降落段轨迹设计 213
7.5 直升机起降自主飞行的仿真验证 2167.5.1 LQR显模型飞控系统设计 217
7.5.2 自主起飞轨迹跟踪仿真 219
7.5.3 返航进场段轨迹跟踪仿真 219
7.5.4 着舰降落段轨迹跟踪仿真 219
思考题 221
第8章 无人直升机进场着舰轨迹制导系统 2228.1 无人直升机三维基准轨迹的生成 2228.1.1 直升机及舰在不同坐标系中的运动轨迹 222
8.1.2 无人直升机三维期望基准轨迹表达式 224
8.1.3 基于着舰点的三维期望轨迹的生成 225
8.2 无人直升机进场着舰三维制导系统结构 226
思考题 229
第9章 直升机光传操纵系统 2309.1 光传飞行控制系统概述 2309.1.1 光传操纵系统发展及研究现状 230
9.1.2 光传操纵系统总体配置 238
9.2 光传操纵系统的关键技术 2409.2.1 光传操纵系统的关键组件 240
9.2.2 光纤数据总线技术 245
9.2.3 光传余度技术 249
9.3 光纤多路复用技术 2619.3.1 空分复用 261
9.3.2 时分复用 264
9.3.3 波分复用 265
9.3.4 时分波分联合复用 267
9.4 直升机上的光传操纵系统 2689.4.1 直升机光传操纵系统结构配置 268
9.4.2 直升机显模型光传操纵系统验证 269
思考题 272
附录A 某型无人直升机小扰动线性化数学模型 273
附录B UH-60直升机动力学模型 275
附录C 某10kg级模型直升机非线性全量数学模型 280
参考文献 286
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