Chapter 01 — Fundamentals

配平(Trim)介绍

一句话:给定一个你想要的飞行状态,反算出舵面和油门该放在什么位置,才能让飞机"不动不晃"地待在那个状态上。

数学表达

给定飞行条件(V, H, γ, φ, ...) 求解 (x₀, u₀) 使得: ẋ = f(x₀, u₀) = 0 即所有状态导数 = 0 → 加速度 = 0 → 稳态飞行

其中 x₀ 包含迎角 α₀、俯仰角 θ₀ 等状态的平衡值;u₀ 包含升降舵 δe₀、油门 δT₀ 等控制面的平衡偏转量

物理直觉

升力 = 重力分量飞机不掉也不爬(或按照设定的 γ 角爬升/下滑)
推力 = 阻力分量飞机不加速也不减速,维持速度
俯仰力矩 = 0机头不上仰也不下俯,稳稳地指向前方
偏航/滚转力矩 = 0飞机不翻滚也不偏航(转弯时有特殊条件)
Chapter 02 — Multi-Condition Trim

六种典型工况:亲手配一配

不同的飞行任务意味着完全不同的力平衡关系。选择下方的工况卡片,然后手动调节滑块尝试配平,或点击"自动求解"看答案。

✈️
低速平飞
V=60 m/s · H=1000m
γ=0° · φ=0°
🛫
巡航平飞
V=120 m/s · H=5000m
γ=0° · φ=0°
⬆️
稳定爬升
V=80 m/s · H=2000m
γ=+8° · φ=0°
⬇️
稳定下滑
V=70 m/s · H=3000m
γ=−6° · φ=0°
🔄
协调转弯
V=90 m/s · H=2000m
γ=0° · φ=30°
高速平飞
V=200 m/s · H=8000m
γ=0° · φ=0°
TRIM SOLVER — 低速平飞 拖动滑块手动配平 / 点击自动求解
5.0°
-3.0°
55%
0.0°
各工况配平解对比点击"自动求解"后此表自动填充
工况V (m/s)γ (°)φ (°)α₀ (°)δe₀ (°)δT₀ (%)δa₀ (°)状态
🔍 观察要点 低速需要更大迎角来产生足够升力 → α₀ 更大 → 升降舵偏转更多来配平力矩。 爬升需要更大推力来克服重力分量 → δT₀ 更大。 协调转弯时升力要大于重力(L = W/cosφ)→ 需要同时增大 α₀ 和 δT₀。 每个工况得到的 (x₀, u₀) 都不同——这就是为什么需要"多点设计"。
Chapter 03 — The Key Question

配平结果到底给谁用

答案是:配平结果同时服务于 Plant(被控对象模型)和 Controller(控制器),但用途完全不同。

→ 用于 PLANT(被控对象建模)

提供线性化基准点

配平解 (x₀, u₀) 是做泰勒展开的展开中心。在这个点上计算偏导数(雅可比矩阵),得到线性化的 A、B 矩阵:

A = ∂f/∂x |₍ₓ₀,ᵤ₀₎ // 系统矩阵 B = ∂f/∂u |₍ₓ₀,ᵤ₀₎ // 输入矩阵 → 这组 (A, B) 描述的是飞行器 在配平点附近的动态特性
一句话配平点决定了你用什么"被控对象模型"来设计控制器。换个配平点,A、B 矩阵就变了,设计出的控制器参数也不同。
→ 用于 CONTROLLER(控制器指令)

提供前馈 / 标称指令

配平解中的 u₀ = [δe₀, δT₀, ...]ᵀ 就是让飞机维持在目标状态所需的标称舵偏和油门。实际飞行时,控制器输出的总指令是:

u_total = u₀ + Δu ↑ ↑ 配平值 控制器反馈修正量 (前馈) (闭环输出)
一句话u₀ 负责"大头"——把飞机稳在目标状态附近;控制器只负责"微调"——修正扰动引起的偏差。
信号流全景图:配平结果的两条去路交互 · 点击各模块查看说明
Chapter 04 — Control Architecture

完整控制架构中配平在哪个位置

下面展示一个典型的增益调度飞控系统架构。仔细看配平结果如何同时流入前馈通道和反馈通道。

增益调度飞控系统 · 信号流
📐 架构解读 ① 配平表(Trim Schedule):存储各工况的 u₀(V,H) — 实时查表得到当前飞行状态对应的标称舵偏。→ 这就是前馈指令
② 增益表(Gain Schedule):存储各工况控制器增益 K(V,H) — 由各点线性化模型 (A,B) 设计得到。→ 这就是反馈增益
③ 实际指令:u = u₀(V,H) + K(V,H) · Δx — 前馈 + 反馈之和发送给舵机。
Chapter 05 — The Three Quantities

配平值 · 期望值 · 控制器修正量:三量辨析

很多人分不清"配平值"和"控制器的期望值"——它们确实相关,但绝不是同一个东西。下面用一个具体数值场景,把三者的关系一层一层拆给你看。

① 配平值 Trim Value

系统的"平衡基准"

在某个飞行状态下,所有力和力矩平衡时的状态量 xtrim(如迎角 α₀)和控制量 utrim(如升降舵 δe₀、推力 δT₀)。
角色:稳态工作点。飞机就安安静静待在这。

② 期望值 Command / Desired

控制器的"目标"

飞行员或制导律给出的指令——"我想要俯仰角 5°"或"爬升到 5200m"。
它不一定等于配平值!它可以是一个新的目标,与当前配平点有偏差。
角色:控制目标。飞机要往这去。

③ 控制器修正量 Δu

反馈输出的"微调"

控制器根据"当前状态与期望之间的误差"计算出的额外修正量。
控制器设计的就是这个 Δu。
角色:修正偏差。让飞机从"在这"到达"去那"。

核心公式:三量关系
状态分解: x = x_trim + Δx ↑ ↑ ↑ 当前真实 配平基准 偏离量(传感器测量) 输入分解: u = u_trim + Δu ↑ ↑ ↑ 实际给舵机 配平前馈 控制器反馈修正 控制器做的事: Δu = −K · (x − x_cmd) = −K · (Δx − Δx_cmd) ↑ ↑ 用绝对值算误差 等价地用增量算误差
🔑 关键:期望值也可以写成增量形式 如果期望俯仰角是 5.2°,而配平俯仰角是 3.2°,那么:
绝对期望:θcmd = 5.2°
增量期望:Δθcmd = 5.2° − 3.2° = 2°
控制器比较的是 误差 e = Δxcmd − Δx,即"你想偏离配平点多少"和"你实际偏离了多少"之间的差。
▶ 交互场景:Ma=0.7 / 5000m 平飞 → 抬头机动 拖动滑块,实时观察三量变化

飞机当前在 5000m 高度、Ma=0.7 平飞,已配平。现在你给控制器一个指令:改变俯仰角。
下方模拟了控制器工作的过程——观察配平值始终不变,期望值由你设定,Δu 由控制器自动计算。

📌 配平基准(固定不变)

α_trim
3.2°
配平迎角
θ_trim
3.2°
配平俯仰角
δe_trim
-1.5°
配平升降舵
δT_trim
62%
配平推力
q_trim
0°/s
配平角速率

🎯 期望值(你来设定)

5.2°
θ_cmd (绝对)
5.2°
控制器目标
Δθ_cmd (增量)
2.0°
= θ_cmd − θ_trim

⏱ 控制过程模拟

t = 0.0s

升降舵指令分解

u_trim = −1.5° Δu = 0° u_total = −1.5°
−30°+15°
公式 ↔ 数值对照表每一行公式对应例子中的哪个数
公式中的量物理含义本例数值属于谁?
xtrim配平状态——迎角、俯仰角等α=3.2°, θ=3.2°, q=0°/s配平求解器输出
utrim配平输入——升降舵、推力等δe=−1.5°, δT=62%配平求解器输出
xcmd期望状态(绝对值)θcmd=5.2°制导律 / 飞行员输入
Δxcmd期望状态(相对配平的增量)Δθcmd=5.2−3.2=2.0°= xcmd − xtrim
x飞机当前真实状态θ=3.2° (初始)传感器测量
Δx当前状态偏离配平的量Δθ=0° (初始)= x − xtrim
e = Δxcmd−Δx控制器误差e=2.0° (初始)控制器内部
Δu控制器修正量Δδe=0° (初始)控制器输出
u = utrim+Δu实际发给舵机的指令δe=−1.5° (初始)前馈 + 反馈

↑ 拖动上方时间滑块或播放动画,此表中的数值会实时更新。

⚠ 常见混淆纠正 误区1:"配平值就是控制器的期望值"
不是。配平值是力/力矩平衡时的稳态量,期望值是你想让飞机去到的目标。只有当目标恰好就是当前配平状态时两者才相等(即"保持平飞不动"时 Δxcmd=0)。

误区2:"控制器直接输出 u(舵面角度)"
不是。控制器设计和输出的是 Δu(修正量),最终实际指令 u = utrim + Δu。如果你只给 Δu 而忘了加 utrim,舵面从零开始——飞机根本飞不了。

误区3:"期望值只能用绝对量表示"
不是。期望值可以写成绝对值(θcmd=5.2°)也可以写成相对配平点的增量(Δθcmd=2°),两者完全等价。很多飞控实现用增量形式,因为控制器本来就在增量空间里工作。
Chapter 06 — Linearization

线性化:配平点上的泰勒展开

有了配平点 (x₀, u₀),线性化就是在这个点做一阶泰勒展开。

交互:非线性函数 vs 切线近似拖动配平点位置
5.0
±2.5
线性化的意义将 ẋ = f(x,u) 变成 Δẋ = AΔx + BΔu。这个线性模型可以直接用于特征值分析、传递函数推导、LQR/H∞ 设计等所有线性控制方法。
有效性边界小扰动假设意味着 |Δx| 和 |Δu| 要足够小。超出范围后线性模型失真 → 控制器性能下降甚至不稳定。所以需要多点线性化 + 增益调度。
Chapter 07 — Summary

来龙去脉一图总结

配平 → 线性化 → 控制律:完整链路
📌 关键结论 配平是"起点":它找到力/力矩平衡的飞行状态,是一切后续工作的基准。
配平结果同时喂给 Plant 和 Controller:(x₀,u₀) 给线性化提供展开点(→ Plant 建模),u₀ 作为前馈指令(→ Controller 标称输出)。
线性化是"桥梁":把非线性飞行力学问题翻译成线性控制理论的语言 (A,B,C,D)。
控制律只管"Δu":控制器设计的是扰动修正量。实际指令 = u₀(前馈) + Δu(反馈)。
配平值 ≠ 期望值:配平值是平衡基准,期望值是控制目标,控制器处理的是二者之间的误差。
多工况 → 增益调度:在飞行包线内多个点重复上述流程,用查表/插值覆盖全工况。