浅析A330自动驾驶仪工作原理及使用建议
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作者:马麟 许皖卉
摘 要：本文主要介绍了自动驾驶仪的发展简史，分析了它的组成、基本功用、基本原理及使用特点。本文结合空客A330机型，介绍了该机型自动驾驶仪的使用特点以及使用中的限制条件。最后强调讨论了自动飞行对机组处境意识的影响以及对飞行安全的影响。得出结论：飞行的高度自动化只是为安全奠定了良好的物质基础，但要系统安全运行，关键还要靠人来正确使用和监控。
关键词：自动驾驶仪 俯仰通道 角度控制 轨迹控制 速度控制
中图分类号：V267 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0060-04
Abstract： The development of the autopilot is introduced in this paper. The components of autopilot，functions of autopilot，principle of autopilot and features in utility of autopilot are analyzed. Autopilot’s features and limitions in utility are introduced through introducing the autopilot of Airbus 330. At the end of this paper， the effect of the autoflight to crew’s situaional awareness and flight safety is emphasized and discussed. A conclusion was drawn that the automation in flight is only the promotion， while the proper operation and monitoring of the system play the most important part in flight safety.
Key Words： Autopilot; Pitch channel; Angle control; Track control; Speed control
随着航空制造工业的发展，飞机的自动化程度也越来越高。其中，自动驾驶仪在减小飞行员的工作负荷方面起着不可替代的作用，因为它可以直接代替飞行员操纵飞机的杆/盘舵，把飞行员从一杆两舵的体力劳动中解放了出来，有更多的时间和精力对飞机和发动机的状态进行监控，使飞行员从简单操作员变成了驾驶舱信息的管理者。
在20世纪70年代，航空界进入了电子显示仪表阶段，数字式AFS可以进行ILS ⅢB自动着陆，高度自动化地完成飞行任务。自动驾驶仪可以通过自身的系统去工作，实现操纵飞机，也可以通过飞行管理计算机系统向自动驾驶仪提供引导信号，实现对飞行计划航路和飞行性能的控制。
1 自动驾驶仪的功用及实现飞行自动化的意义
自动驾驶仪（Autopilot）是在飛机上代替飞行员直接控制飞机舵面，完成对飞机控制的自动化设备。在现代化大型运输机上，自动驾驶仪能实现以下具体功能：
（1）按给定的平飞姿态和航向保持飞机平直飞行。
（2）按给定的倾斜角或预选的航向实现操纵飞机转弯，自动进行机动飞行以转入到新的航向或新的高度，自动作等待转弯等。
（3）按给定的俯仰角或升降率实现上升或下降。
（4）按甚高频导航系统的全向信标台的无线电信号（VOR）操纵飞机进入VOR的径向线并保持;也可按ILS的信号完成飞机着陆前的进近。自主进行自动化进近和自动化着陆。
（5）按FMC或其它导航系统要求，借助导航系统，实现按预定的航路飞行，准确地进行航迹控制。
（6）控制升降舵同时，发出信号去配平安定面，实现速度，稳定和配平飞机等。
（7）减轻驾驶员长距离飞行或在困难飞行阶段下（例如着陆进场）的负担，使驾驶员能有精力处置其它任务（例如无线电通信、系统监控、飞行计划）。
（8）遵守飞行包线（最大迎角、最大马赫数、最大加速度），以减轻驾驶员监控工作的负担。
2 自动驾驶仪的基本原理
2.1 自动驾驶仪稳定飞机的原理
飞机在保持平飞时，若受到干扰力矩作用，机头上仰，测量元件感受偏离方向和大小，并输出信号经计算机处理放大，操纵执行机构，使升降舵下偏，使飞机趋向原始状态。由于舵面偏转产生回输信号，抵消偏离信号，当偏离信号等于回输信号时舵面停止偏转。飞机状态改变使偏转信号减小，直到小于回输信号。经处理放大后又带动舵面回收，使飞机状态转向原始位置。如此周而复始，当飞机回到原始位置，偏离信号为零，舵面中立，回输信号也为零，这就是自动驾驶仪稳定飞机的过程（如图1）。
2.2 自动驾驶仪操纵飞机的原理
飞机平飞时，舵面中立，回输信号、测量信号为零（如图2-a）。人为输入上仰信号，使电刷偏离中立位，飞行控制计算机接受指令后，经计算放大，至舵机（如图2-b），舵面上偏，同时产生回输信号。当回输信号等于指令信号后，舵面停止偏转，飞机在舵面作用下开始抬头上仰。测量装置测到这一信号后输入飞行控制计算机。这样指令信号、回输信号和测量信号之差不为零，差值信号的极性和指令信号相反，经处理后放大，送至舵机，带动舵面回收一些，使得回输信号减少，但舵面仍上偏（如图2-c）。如此反复，当测量信号等于指令信号时，升降舵中立，回输信号为零，飞机达到预定状态（如图2-d），上仰角度可从地平仪上反映出来。 3 A330机型自动驾驶仪的使用特点
在A330机型上将自动驾驶仪、飞行指引仪、飞行管理等功能综合在“飞行管理和引导计算机”中，从而实现了广泛的集成化。通过自动驾驶仪和推力控制器的局部配合，以及总能量控制工作方式，实现了变化飞行航迹的控制引导，有效地减轻驾驶员的负担。
A330飞机上的自动驾驶仪具有导航方式、航向方式、高度方式、速度方式航向道方式、进近方式等多种工作方式，如图3所示。导航方式允许飞行管理计算机控制自动驾驶仪，操纵飞机按预定的飞行计划飞行。航向方式允许自动驾驶仪控制飞机保持现航向或转向新航向。高度方式允许自动驾驶仪控制飞机保持现高度或改变高度。速度方式可控制飞机保持现速度或改变速度。航向道方式（LOC）将使自动驾驶仪去截获和跟踪所调谐的LOC航向道。进近方式使自动驾驶仪去截获航向道和下滑道，并保持在航向道和下滑道上。
4 关于A330自动驾驶仪使用的安全建议
4.1 一是机组必须随时掌握飞机的状态，保持清醒的“情境意识”
情境意识从理论上讲是对环境的一个综合的、有条理的描述，并能根据对现实环境的判断结果不断更新。从实践意义上来讲：情境意识是对周围发生的一切具有清楚的、不断更新的认识和理解。飞行员工作在一个不断变化的环境当中，要保持良好的情境意识，就要求必须清楚地知道自己周围所发生的一切;同时，良好的情境意识也使得飞行员在任何时候都能对下列问题做出正确的回答。这些问题可能是来自于飞机的各个系统，也可能来自飞行员自己的大脑或周围环境。
增强“情境意识”的途径是，首先对飞机运行的“现实状态”、“当前进程”、“期望目标”和“实施步骤”要随时警醒;其次掌握“现实状态”与“标准状态”的差异，掌握外界条件的变化趋势;最后随时准备接替自动飞行系统的工作，实施人工飞行。
4.2 加强学习A330自动驾驶仪的理论知识
在现代自动化驾驶舱中，飞机飞行的大量信息运用了计算机显示技术。各种操作模式的组合使用为机组人员实现高效飞行提供了更大的行为空间，同时也增加了模式混淆的可能性。
作为在飞行中操纵或试图操纵航空器的当代驾驶员，知识是最有价值的素质之一。为了能在自动化的驾驶舱中安全履行飞行职责，每个驾驶员必须具备所飞航空器的基本知识。这其中不仅应该包括通过按压按钮来操纵复杂的驾驶舱自动化系统，还应包括学习一定的自动化知识，理解自动化系统的工作原理。
4.3 重视基本驾驶术训练
目前，尽管绝大多数现代民用航空器和机场设备都具备了自动着陆的功能，但要实施真正意义上的自动降落，还有许多路要走。目前通行的做法是起飞着陆人工操纵，其余阶段则实施自动飞行。飞行技术只是一种较为特殊的技能，摆脱不了技能的遗忘退化规律，一次训练之后，技术只能保持一个短暂的稳定期，紧随其后的则是技术下滑期，等到再次训练才可望使技能逐渐回升到过去的水平。飞行学院或是航空公司都应创造尽可能多的机会使飞行员通过手控方式体验摸索航空器的实际运动特性。另外也可利用模拟机，尽管模拟机与真实飞机之间存在一定差距，但模拟机的运动表现还是与真实飞行相当接近。在模拟机训练中，通过飞一些能够较好地锻炼操纵能力的课目，无疑是一条捷径。
4.4 加强CRM训练——机组协作
目前国际民航界在CRM训练中采取的方法比较多，但这些方法都强调了CRM训练应注重机组成员作为小组一员时的职能，而不是仅仅强调个人技能;CRM训练应指导机组成员实施操纵时如何提高机组整体的工作效率;CRM训练使机组成员有机会练习其技能，这些技能对于一个合格的机长或机组成员是必不可少的;CRM训练对于所有机组成员（包括机长、副驾驶、飞行机械员、飞行乘务员等）的训练内容应与其在常规执行任务时完成的职能相同;CRM训练应包括常规、日常操纵中有效的机组行为。
大量的飞行事故调查表明，现代飞机失事，尤其是自动化座舱的飞行事故和座舱秩序混乱、机长指挥不力、机组人员参与意识差及集体决策错误等密切相关。有专家认为，在飞机座舱环境中，最薄弱的界面不是人们以往认为的人-机面，而是人-人界面。
从航空出现的第一天起，它已是一个集体的事业。仅由一个人来圆满解决一架飞机飞行的所有问题，这是不可能的。與任何复杂系统一样，在航空中也会发生小的和大的故障。虽然在飞机设计和运行中，对所有可能的故障进行了分析并制定了被用方案，但在发生故障时，要求的预防和纠正措施数量急剧增加。只有训练有素的专业团体才能操纵飞机在所有设计条件下运行。自动化航空器的运行甚至要求更多的协同工作。驾驶舱机组和客舱机组有大量任务，如果这两个专业小组像一个团队那样协作，这些任务能由驾驶员和飞行乘务员圆满完成。不仅如此，整个航空器机组必须作为一个统一的团队行动。这个条件是正常飞行特别是紧急情况下绝对需要的。
因此，要将自动飞行方式从“神坛”上请下来。既要充分发挥它的长处，更要正视它的薄弱环节。飞行的高度自动化只是为安全奠定了良好的物质基础，但要系统安全运行，关键还要靠人来正确使用和监控。如果把整架飞机当成一个大系统，则飞行员必须处于大系统的中心地位，是大系统的管理者、决策者、验收者;而自动飞行系统（子系统）只能是飞行员的好帮手，给飞行员提供信息，执行飞行员的指令。实施自动飞行时，机组要增强“处境意识”。对飞机运行的“现实状态”、“当前进程”、“期望目标”、和“实施步骤”要随时警醒;明确“现实状态”与“标准状态”的差异，掌握外界条件的变化趋势;随时准备接替自动飞行系统的工作，实施人工飞行。
5 结语
对于空中客车A330机型来讲，由于它承担着长距离、远航程的航行任务，自动驾驶仪起到了举足轻重的作用，可以说它在现代飞机上已经是不可缺少的装置。
但我们应当看到，飞机驾驶的主体仍是飞行员，自动驾驶仪只是用于辅助飞行员来驾驶飞机，飞行的高度自动化只是为安全奠定了良好的物质基础，但要系统安全运行，关键还要靠人来正确使用和监控。飞行员在飞行过程中要严密地监视飞机的状态，合理分配驾驶舱资源，严密监视飞机状态以及自动驾驶仪的工作状态，只有这样才能有效保证安全飞行。
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