一種基于模型對比的飛控系統穩定裕度試驗方案

郭騰飛+王越之

【摘 要】現代民機多采用電傳飛控系統，通過增穩反饋回路改善飛機本體的阻尼和頻率特性。閉環的飛控系統不僅需要滿足模態特性、操縱穩定性的設計要求，還需要滿足穩定裕度指標。本文針對單回路的閉環飛控系統，提出一種基于模型對比的穩定裕度試驗方案，可以在驗證穩定裕度是否滿足設計要求的同時，在頻域范圍內確認閉環系統模型建立的正確性。首先，建立非線性桌面仿真模型，并通過測試向量，對各系統模型進行修正完善；其次，通過分析獲取飛行包線內需要進行穩定裕度評估的飛行狀態點，并在桌面仿真中注入掃頻激勵信號，通過數據處理分析得到閉環系統的穩定裕度；最后，在地面試驗階段，注入同樣的掃頻激勵信號，得到真實系統的穩定裕度。桌面仿真及地面試驗結果，表明了該試驗方案的可行性。

【關鍵詞】電傳飛控；穩定裕度；掃頻

【Abstract】Fly by wire flight control system are widely used by modern civil aircraft， which could improve damping and frequency characteristics through feedback loop. Closed loop flight control shall not only meets the design requirements of model characteristics， stability， but also the requirements of stability margin. A stability margin test plan based on model comparison is proposed in this article， which could verify the stability margin requirements， and check the correctness of model. Firstly， nonlinear simulation model is built and shall pass test vectors. Secondly， flight condition points are chosen and simulated through frequency sweeping method. Finally， the same frequency sweeping signal is injected in test to obtain the stability of real system. Simulation and test results show that the feasibility of this test plan.

【Key words】Fly-by-Wire； Flight control stability margin； Frequency sweep

0 引言

對于閉環控制系統，考慮到氣動建模的不確定性、舵機回路的不確定性等因素，在整個使用飛行包線內，在最不利的重心位置、質量分布和外掛方案的飛行條件下，以及在地面工作中都必須滿足規定的穩定裕度要求。文獻[1]MIL-F-9490E，針對不同的頻率范圍，提出了分段的幅值裕度和相位裕度的要求。為評估閉環系統的穩定裕度，文獻[2]在掃頻方法及數據處理方法上進行了大量研究工作。

本文針對單回路的閉環飛控系統，提出一種基于模型對比的試驗方案。考慮到在地面試驗驗證階段，飛控計算機、總線、作動器等真件已經到位，因此，真實系統的特性可以通過試驗測得，并反映到仿真模型中。在評估閉環系統的穩定裕度前，進行閉環回路各系統的模型對比，通過設計測試向量，對各系統模型進行修正完善；

1 基于模型對比的試驗方案

該試驗方案與桌面仿真模型密切聯系，遵循從模塊-功能-系統的測試流程：可以增強對仿真模型的信心，并提高試驗效率，增加試驗結果的說服力，如圖1所示。

2 試驗考慮

a）信號注入方式

掃頻信號可以在傳感器處注入，也可以選擇在作動器前端注入，其掃頻幅值的選擇，既要保證不能太小導致無法通過死區等非線性環節的影響，也不能過大以免超出作動器的工作能力范圍。

b）系統故障模式

試驗需要作動器不同工作模式（主主，主備）對穩定裕度的影響，考慮液壓失效對穩定裕度試驗的影響。

c）其他考慮

在飛行包線內特定狀態點進行掃頻試驗時，通常不希望掃頻時狀態點的速度和高度變化太大，以至于影響分析結果，需要對掃頻方式及六自由度方程進行一定的處理。

3 試驗算例分析

本文采用波特和尼克爾斯技術對單輸入單輸出系統的穩定裕度進行測定。如圖2所示。模型仿真與鐵鳥試驗結果吻合。

4 結論

本文提出了基于模型對比的穩定裕度試驗方案，該方案經過分析，可以用于指導飛控系統地面頻域試驗。

【參考文獻】

[1]MIL-F-9490E Flight control systems-Design， Installation and Test of Piloted Aircraft.

[2]Mark B.Tischler Demonstration of frequency sweep testing technique using a bell 214-st helicopter， NASA Technical Memorandum，1987.

[責任編輯：朱麗娜]