第三章现代飞行控制技术

第三章现代飞行控制技术•控制增稳系统•电传操纵系统•主动控制技术–放宽静稳定性–直接力控制–机动载荷控制–阵风减缓与乘感控制z综合控制§1概述一、主动控制技术•过去传统的飞机设计中，并不考虑飞行控制系统的协调和提高整机性能的作用，因此设计出来的飞机即使不加任何飞行自动控制设备，也必须是稳定可飞的。飞控系统只应用在飞机可提供的控制面（如升降舵、副翼、方向舵）上，且从安全考虑，其操纵权限还受到严格限制。这种飞行控制只能算“被动”式控制•七十年代，出现了飞机设计的新技术——即随控布局设计（即CCV-controlconfiguredvehicletechnology），按随控布局思想来设计飞机，可为飞行控制的需要专门设置必要的控制面。这种飞机如没有某些必备的控制系统，就根本做不到稳定与可靠飞行。换句话说，飞控系统已是飞机不可分割的部分。这种飞机的布局是按气动、结构、推进和自动控制四个基本要素来协调确定的，因此飞行控制系统在飞机设计时，可以对飞机提出新的控制面结构要求，可以实现全权限操纵飞机。这种随控布局飞机就是主动控制技术（ACT－ActiveControlTechnology）的飞机。主动控制技术主要包括如下内容：•放宽静稳定性RSS（RelaxedStaticStability）•直接力控制DFC（DirectForceControl）•机动载荷控制MLC（ManeuveringLoadControl）•阵风减缓GLA（GustLoadAlleviation）•乘座品质控制RQC（RideQualityControl）•主动控制技术的物质基础是电传操纵系统，因为在电传操纵系统的基础上，增加一些线路和操纵面就可实现主动控制。因此采用主动控制的飞机必须首先是电传操纵的，所以我们先来介绍电传操纵的有关问题。二、飞行操纵系统（FCS）的发展飞行操纵系统的发展可分为四个阶段：•简单机械操纵系统•不可逆助力操纵系统•增稳与控制增稳系统•电传操纵系统（FBW）1、简单机械操纵系统•50年代以前，由于飞机飞行速度不高，舵面气动载荷不大，所以用简单的一杆三舵和机械传动杆系，借飞行员体力可拉动舵面。2、不可逆助力操纵系统•50年代初期至中期，由于飞行速度增加，舵面载荷增加，飞行员体力难以操纵飞机由此出现助力器。•为了使飞行员感觉到速度、高度的变化，而设置回力杆，将部分舵面载荷传到杆上出现可逆助力操纵系统。•在跨音速时，出现了杆力不可操纵性，引出不可逆助力操纵系统。原因：•在时，舵面效率下降（∵焦点后移，使静安定系数增大，升降舵操纵效能下降，升降舵操纵力矩不足以克服抬头力矩，为此采用全动式平尾，扩大升降舵面积，补偿效率降低，此时由于舵面铰链力矩很大，而无法实现所需要的回力比∴取消回力杆，成为不可逆的助力操纵系统。为使飞行员能感受到载荷增加了载荷机构、力臂调节和调效机构（调效机构起消除杆力作用）临界MMαmCemCδeeMδδMαα3、增稳与控制增稳系统•由于飞机向高速高空方向发展，歼击机外型变化（大后掠、三角机翼，细长身），使飞机自身稳定性不足，此时通过气动外形改变和飞行操纵系统难以提高稳定性，为此出现了阻尼增稳系统。这样会引起操纵性下降，为解决稳定性与操纵性的矛盾而出现控制增稳系统。控制增稳系统特点：•控制增稳系统是在增稳系统的基础上增加一个杆力传感器和指令模型构成的。电气与机械通道相并联，驾驶员操纵信号一方面通过机械链使舵面偏转角度，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，总的舵面偏转为上述两舵偏角之和。由此可见，电气指令信号增强了操纵量的作用。4、电传操纵系统•60年代至今，虽然控制增稳系统能兼顾飞机稳定性与操纵性的要求，但是电气通道的操纵权限不是全权限的，也没有可靠的安全措施，机械杆系仍然存在。将控制增稳系统的电气通道的权限扩展到全权限，取消机械通道而出现电传操纵系统，该系统中必存在计算机，同时采用余度技术，具有很多优点。电传操纵系统特点：•在电传系统中，驾驶杆输出不是机械位移信号，而是电信号，它与自动控制系统产生的电信号综合后，共同操纵舵面，所以电传操纵使人工操纵与自动控制在功能上和操纵方式上融为一体。•安全可靠、故障率低、无力反传问题、提高战伤生存能力。这是FCS的第三次变革。§2控制增稳系统一、问题的引出•阻尼增稳系统只能改善飞机的稳定性，即只改善飞机的静动稳定性和固有频率，同时却减小了系统的传递系数，减低了飞机对操纵指令的响应，使操纵性下降，这显然是不利的，所以有必要解决稳定性和操纵性的矛盾。•由于加速度计不安装在飞机重心处，因此它所感受到的角加速度通过系统作用减小了，影响角加速度灵敏度。此外飞机在大机动飞行时，要求有较高的角加速度灵敏度，且杆力不宜过大；作小机动飞行时，要求有较小的灵敏度，且杆力不宜过小。一般系统很难兼顾这两种要求，影响了对飞机的驾驶。所以有必要改善飞机的操纵性。二、控制增稳系统的组成及工作原理•组成：+-+++-+yFjkδkzk()()ssqeδΔq()()sqs2αθcosgg1zn111+ssττznykαk123+ssττ()skp()sMPUMUqykαk1机械通道杆力传感器指令模型电气通道增稳回路助力器舵机说明：•控制增稳系统是在增稳系统基础上添加一个杆力传感器和一个指令模型构成的，即系统由机械通道、电气通道和增稳回路组成。机械通道与电气通道并行。电气通道相当于一个前馈通道，其作用是增大传递系数，并使角加速度灵敏度满足驾驶员的要求。工作原理：•驾驶员的操纵信号一方面通过机械通道使舵面偏转；另一方面，通过电气通道由杆力传感器产生电的指令信号，经指令模型形成满足操纵特性要求的电信号，与增稳系统的反馈信号综合后使舵面偏转，总的舵面偏角为：•电气指令信号的极性与机械通道来的操纵信号同相，其值与杆力位移成正比。可见电气指令信号使操纵量增强，因此控制增稳系统又称控制增强系统。mδΔMδΔMmeδδδΔ+Δ=Δ控制增稳系统特点：由于增设电气通道，可使系统开环增益取得较高。从而提高了静操纵性。•如果没有电气通道，那么当很大时，虽然可使闭环特性只取决于反馈通道而与飞机所处正向通道无关，即系统抗干扰性提高，但同时会使以机械通道为输入、为输出的闭环传递系数变得太小，也就是说，使原闭环增稳系统闭环增益太小，降低了静操纵性。增设电气通道，则可通过提高电气通道增益，补偿由于很大而产生的强负反馈作用，使整个系统特性不受飞机上的干扰及飞行状态变化的影响，δKKa、znδKKa、三、俯仰控制增稳系统的控制律•1、比例控制律为：其中：飞机方程：()znqeyyzzpyzjyKqKnkkMskFkkFδδΔ=+++qqyyazKkkkkδ=zznnyyazKkkkkδ=212();()();eescscMqssszVnzgδαααδαα++=−=+Δ≈Δ2、比例加积分控制律•引入积分提高了稳态精度。()()()dtFsMkkkdtnKqKFkkFksMkknKqKypzznyqyyjzypzznyqyezz∫∫++++++=Δδδδ比例加积分控制律结构图+-+++-+yFjk()ssk1+δzk()()ssqeδΔq()()sqs2αθcosgg1zn111+ssττznykαk123+ssττ()skp()sMPUMUqykαk1机械通道杆力传感器指令模型电气通道增稳回路助力器舵机§2电传操纵系统一、问题的提出•控制增稳系统虽然能兼顾驾驶员对飞机稳定性和操纵性的要求，但对飞机机动性能的提高仍是有限的，其主要原因有四点：–控制增稳系统的舵面操纵权限有限–存在力及功率反传问题–战场生存能力低–结构复杂、重量重1、控制增稳系统的舵面操纵权限有限•控制增稳系统的舵面操纵权限虽比增稳系统有所增大，但为确保飞行安全，操纵权限也只有昀大舵偏角的30%左右，很难满足整个飞行包线内改善飞行品质的要求。2、存在力及功率反传问题•无论增稳系统还是控制增稳系统都存在机械杆系与舵机两种系统，在人工操纵时，有力传到舵机，但不影响舵机的工作；舵机工作时，也有力传到驾驶杆，称为力反传现象。由于舵机为随动系统，工作时断时续，或时快时慢，因此会使驾驶杆产生非周期振荡现象。•此外还有功率反传问题，是由舵机和助力器输出速度不匹配引起的。一般舵机的输出速度总是大于助力器的输出速度，因此，由舵机到助力器之间的动量在助力器输入端引起的碰撞会反传到驾驶杆，从而引起驾驶杆和助力器输入端的瞬间撞击现象。•上述力反传和功率反传都会随操纵权限的增大而增大，通过改进机械系统本身很难克服。3、战场生存能力低•由于增稳系统和控制增稳系统都存在机械杆系，其传输线分布范围较大，一旦被火炮击中，可能使整个操纵系统失灵，战场生存能力较低。4、结构复杂、重量重•由于控制增稳系统是在不可逆助力操纵系统基础上，通过复合摇臂（机械系统）叠加电气通道构成的，显然在结构复杂程度和重量方面，均大于不可逆助力操纵系统。此外机械系统存在间隙、摩擦等非线性与弹性变形，致使难于精确传递微小操纵信号。•由上述可知，产生这些缺点的根本原因在于控制增稳系统存在机械杆系。在50年代末期提出了一种全新的操纵系统—电传操纵系统（FBW）。二、电传操纵系统的特点与分类1、特点a）FBW系统主要靠电路传递飞行员指令，因而在这种系统中不再含有机械操纵系统。1）这有利于提高飞机战场的生存能力。由电路代替机械杆系，可使飞机操纵系统被炮火击中的概率减小，提高战场生存能力。2）此外，因无机械杆系，可以减轻重量，消除机械系统存在的间隙摩擦等非线性与弹性变形的影响，有利微小信号传递。3）因无机械杆系，无复合摇臂装置，可克服力反传，功率反传现象，从而不会引起驾驶杆非周期振荡。b)全权限的控制增稳系统―可在整个飞行包线内满足及改善飞行品质的要求。c)多余度配置―保证不亚于机械操纵系统的可靠性，通常用飞机损失概率作为飞行安全可靠性指标。军用飞机一般要求失效率≯次/飞行小时，民航机为次/飞行小时。710−910−为保证电传操纵系统的可靠性，需采用余度技术即引入多套系统执行同一项工作任务。多重系统也成为余度系统，系统应满足下列三个条件：①对组成系统的各个部分具有故障监控、信号表决的能力。•若不满足条件a），即含有机械备份系统―则称不纯电传系统或伪电传系统。•若不满足条件b），则称电信号系统，所以电传系统＝电信号系统＋控制增稳系统。②一旦系统或组成系统的某部分出现故障，应有故障隔离能力，即应有二次故障能工作的能力。③出现故障后，系统能重新组织余下的完好部分，具有故障安全的能力，并在少量降低性能指标的情况下继续承担任务。•当系统中出现一个或数个故障时，它具有重新组织余下的完好部分，使系统具有故障安全或双故障安全的能力，即在性能指标稍有降低的情况下，系统仍能继续承担任务。•图示是四余度系统简图：电传操纵系统与主动控制技术间的关系：引入教控技术，可以具有灵活性，多功能性控制增稳系统CAS余度技术redundance电传系统FBW新气动技术教控技术DCT随控布局CCV放宽静稳定性机动载荷控制直接力控制阵风减载乘感控制颤振控制解决机动性稳定性考虑安全可靠性而引入增加多舵面等2、分类电传操纵系统基本上可分为两类：•数字式电传操纵系统•模拟式电传操纵系统（1）模拟式系统：模拟式电传系统是去掉了机械操纵的控制增稳系统，它是多余度的。•在这种系统中主要包括模拟式传感器，舵机及模拟式电子组件（模拟计算机），这就是说系统的一切部件和电路均是由单功能的硬件组成，通过这些硬件来实现控制律与余度管理。单通道模拟式系统的组成•原理：•变增益在于使信号适合飞行状态的变化，有时为防止结构共振与颤振，还加结构滤波，由于模拟式元部件及技术在自动驾驶仪与增稳系统中用了多年，技术较成熟。•缺点：•这种系统缺点是系统中每一个细小功能都要用特定的硬件或电路来实现，所以结构复杂，尤其在实现多余度管理之后，系统就更庞杂，且不精确，因此近年代逐渐被数字式电传系统所代替。（2）数字式系统•数字系统又分两种，即：数字部件组成全数字式系统－全部由舵机等仍是模拟式的部件，