商用客機偏航阻尼器控制律設(shè)計與仿真

岳峰　徐宏哲　張兆亮

摘 要：基于商用客機偏航阻尼器的特點，介紹了其基本功能，并設(shè)計了一種通用的偏航阻尼器控制律，同時給出了控制律架構(gòu)并提出了控制性能指標(biāo)。最后通過對控制律的頻域和時域進行數(shù)值仿真驗證了控制律對性能的滿足，并表明此偏航阻尼器控制律可以有效地對飛機荷蘭滾特性進行抑制并提供很小側(cè)滑的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎功能。

關(guān)鍵詞：偏航阻尼器；控制律；冗余度；頻域

引言

商用飛機飛行過程中會受到大氣擾動，而這種擾動必然會引起飛機橫向姿態(tài)的變化，飛機橫向會發(fā)生搖擺運動，該運動是由多個方向的運動耦合疊加而成。其中滾轉(zhuǎn)模態(tài)下飛機表現(xiàn)為迅速衰減的滾轉(zhuǎn)運動，一般總是穩(wěn)定的；螺旋運動模態(tài)下飛機表現(xiàn)為非常緩慢的螺旋下降運動，駕駛員可以通過操縱飛機避免進入尾旋，而荷蘭滾模態(tài)下飛機表現(xiàn)為短周期的快速周期性搖擺運動，姿態(tài)參數(shù)變化較為劇烈。商用飛機通常采用改善氣動布局和主舵面的結(jié)構(gòu)等手段使飛機橫向具有較小的阻尼對荷蘭滾進行抑制，使得飛機在橫方向上的運動收斂[1]。

1 偏航阻尼器控制律設(shè)計

為了抑制飛機橫向擾動情況下的荷蘭滾，偏航阻尼器通常使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)反饋的偏航角速率作為控制信號，根據(jù)偏航阻尼器的控制律計算出方向舵偏轉(zhuǎn)指令。由于方向舵偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的附加力矩與飛機偏航運動方向相反，阻止飛機偏航運動，從而抵消荷蘭滾模態(tài)下的偏航角速率，改善荷蘭滾阻尼比。另外，為了給飛機提供協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎功能，偏航阻尼器使用航電系統(tǒng)傳輸過來的橫滾角速率作為控制信號，通過相應(yīng)的控制律計算方向舵偏轉(zhuǎn)指令。為了進一步提高協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎性能，有些飛機的偏航阻尼器引入橫向加速度作為控制信號，消除飛機轉(zhuǎn)彎過程中的側(cè)滑角[2]。

傳統(tǒng)的偏航阻尼器內(nèi)部通常采取簡單的查表法，將飛機狀態(tài)量作為控制輸入。這種控制模式在一定程度能夠抑制飛機荷蘭滾并改善協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎性能。然而，當(dāng)飛控計算機前向通路存在擾動或誤輸入倍脈沖蹬舵信號時，初始時刻會使飛機產(chǎn)生較大的偏航角速率與橫滾角速率，荷蘭滾現(xiàn)象比較明顯，嚴(yán)重影響飛機的橫向飛行品質(zhì)，而且協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎時的側(cè)滑角也變大。為了有效抑制荷蘭滾并進一步提高協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎性能，文章提出的偏航阻尼器功能的計算由自己的計算模塊完成，通過改變方向舵偏度，以達到協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎和抑制荷蘭滾的作用。

此偏航阻尼器由偏航角速率反饋以及側(cè)向過載反饋構(gòu)成，以改善飛機的荷蘭滾運動阻尼，增強航向的穩(wěn)定性。并采用副翼指令方向舵交聯(lián)，其主要目的是當(dāng)副翼偏轉(zhuǎn)進行轉(zhuǎn)彎時，偏轉(zhuǎn)方向舵提高飛機的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎性能，減少轉(zhuǎn)彎過程中的側(cè)滑。

YD指令計算的簡化輸入為滾轉(zhuǎn)角、偏航角速率、指示空速和真空速共4個參數(shù)，并利用滾轉(zhuǎn)角速率、俯仰角、側(cè)向加速度、垂直速度、垂直加速度、方向舵偏度共6個參數(shù)完成指令修正和系統(tǒng)監(jiān)控功能，經(jīng)過簡化的偏航阻尼器控制律如下公式所示。

其中YDcommand是偏航阻尼器輸出的控制指令，YawRate是偏航角速率，F(xiàn)1（*）和F2（*）分別是對真空速（TAS）和指示空速（IAS）的線性插值函數(shù)。在真空速和指示空速一定的情況下，偏航阻尼器指令主要由滾轉(zhuǎn)角和偏航角速率決定。

同時為了避免轉(zhuǎn)彎過程中產(chǎn)生過大的側(cè)滑而引起令人不適的側(cè)向加速度，通常引入?yún)f(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制來保證在轉(zhuǎn)彎的過程中，側(cè)滑角較小，及滾轉(zhuǎn)與偏航運動兩者之間的耦合最小，同時還可以與縱向控制系統(tǒng)交聯(lián)，保證轉(zhuǎn)彎過程中不掉高度。

2 偏航阻尼器控制律仿真評估

為了評估此偏航阻尼器的控制性能和相應(yīng)特性，需要建立橫向運動閉環(huán)控制回路。該回路包括偏航阻尼器模型、方向舵控制前向通道模型、飛機橫向運動模型[3]。

在基于小擾動激勵分析法的飛機模型中，包括飛機縱向運動模型和飛機橫向運動模型。偏航阻尼器主要用于飛機橫向運動的控制，需要采用飛機橫向運動模型進行驗證。由于飛機存在較大的橫向滾轉(zhuǎn)阻尼，滾轉(zhuǎn)角速率響應(yīng)較慢，影響協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎性能。為此增加橫滾控制回路，提高橫滾響應(yīng)性能。因此，閉環(huán)控制回路中飛機橫向運動模型包含了橫滾控制內(nèi)回路。

通過仿真偏航阻尼器控制律的時域特性，對此控制律的響應(yīng)性能進行評估。

3 偏航阻尼器控制律時域仿真

偏航阻尼器的時域仿真包括側(cè)滑角擾動特性仿真及協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎仿真，以驗證控制律設(shè)計是否滿足時域設(shè)計要求，及是否能夠完成要求的功能。

此偏航阻尼器控制律可以很好地抑制飛機荷蘭滾。另外，飛機側(cè)滑角的最大峰峰值、振蕩次數(shù)、穩(wěn)定值也滿足控制性能要求，通過仿真結(jié)果表明此偏航阻尼器控制律滿足各項控制性能要求，同時也對飛機的橫向特性進行了有效的改善。

4 結(jié)束語

文章基于對商用客機橫向操縱特性的分析，設(shè)計了可以抑制荷蘭滾和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎功能的偏航阻尼器控制律，并給出了基本的偏航阻尼器架構(gòu)和計算原理，最后通過對控制律的時域進行仿真分析證明此控制律符合偏航阻尼器性能指標(biāo)，使用此控制律可以有效地對飛機荷蘭滾特性進行抑制并提供很小側(cè)滑的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎功能。

參考文獻

[1]GIBSON， J.C. The Definition， Understanding and Design of Aircraft Handling Qualities[M].Delft University Press，1997

[2]吳文海.飛行綜合控制系統(tǒng)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2007.

[3]申安玉，申學(xué)仁，李云保，等.自動飛行控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

作者簡介：岳峰（1982-），男，山西朔州人，碩士，工程師，研究方向：飛行導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計。