頻響試驗在飛控系統(tǒng)地面驗證試驗中的應(yīng)用概述

郭騰飛　王越之

【摘 要】飛控鐵鳥試驗是進行電傳操縱系統(tǒng)綜合與驗證，保證飛行安全和試飛等工作十分重要和必不可少的關(guān)鍵試驗。本文對頻響試驗在鐵鳥試驗中的應(yīng)用范圍、測試輸入等需要特別考慮的方面進行概述，以便充分發(fā)揮頻率特性試驗的優(yōu)勢，為地面試驗順利完成提供實踐經(jīng)驗支撐。

【關(guān)鍵詞】掃頻；穩(wěn)定裕度；結(jié)構(gòu)陷波器

Frequency Response Test Application during Flight Control System Ground Test

GUO Teng-fei WANG Yue-zhi

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】Flight control test on iron bird is essential and crucial for fly-by-wire system integration and verification，which is used to make sure safe flight.The application range of frequency test and special consideration are illustrated，in order to take full advantage of frequency test to support ground test in practice.

【Key words】Frequency Sweep；Stability Margin；Notch Filter

0 引言

掃頻是一種重要的獲取系統(tǒng)頻率特性的方法，通常在輸入端注入一定頻率和幅值的正弦信號，通過計算系統(tǒng)輸出與輸入的比值和相位差，即可得到系統(tǒng)的頻率特性。掃頻的方法有定頻和變頻掃頻兩種。定頻掃頻即注入的信號頻率是固定的，一般為3～5個正弦波形，掃完后可以進行下個頻率點的掃頻，定頻掃頻精度高，時間長、但處理耗時，數(shù)據(jù)量大。變頻掃頻可以在有限時間內(nèi)通過輸入信號頻率的變化，完成系統(tǒng)整個頻帶內(nèi)的掃頻，不需要完整的正弦波信息，變頻掃頻精度不及定頻掃頻，但省時省力，實時性好。可用于試飛飛行員掃頻等場合。變頻掃頻的掃頻方式有線性掃頻、對數(shù)掃頻、Schroeder掃頻文獻[1]等，可以根據(jù)對象特性和試驗?zāi)康倪M行設(shè)計。

采用掃頻激勵的方法，獲取系統(tǒng)的動態(tài)特性，具有能量集中，掃頻范圍靈活，節(jié)省時間等優(yōu)點，廣泛用于確認系統(tǒng)的開環(huán)或閉環(huán)頻響與設(shè)計模型的一致性，也廣泛用于系統(tǒng)中重要部件特性的測試確認，如作動器特性的測試等。

頻響試驗在飛控地面試驗中廣泛應(yīng)用。針對具體試驗科目的試驗?zāi)康模ㄟ^設(shè)計不同的輸入掃頻信號，在感興趣頻率范圍內(nèi)充分獲取對象的頻率特性，包括飛控部件、整個閉環(huán)的頻率特性及彈性飛機對象的頻率響應(yīng)特性。

1 驗證子系統(tǒng)的頻率特性

圖1 結(jié)構(gòu)陷波器離散化差異

a.作動器、傳感器頻率特性

作動器是飛控系統(tǒng)的執(zhí)行部件，其動態(tài)性能在飛控系統(tǒng)動態(tài)性能中占據(jù)重要地位，影響操縱面和飛機對駕駛員操縱指令的響應(yīng)。因此，通過掃頻獲得作動器的頻率特性是飛控系統(tǒng)地面試驗的重要一環(huán)。需要通過掃頻試驗得到作動器不同工作模式（主主、主備）的頻率特性、間隙等非線性環(huán)節(jié)的指標(biāo)和影響、氣動載荷對作動器性能的影響。

傳感器、如慣導(dǎo)等與飛控系統(tǒng)密切交聯(lián)。通過掃頻獲得慣導(dǎo)的動態(tài)特性。

通過掃頻得到飛控子系統(tǒng)及交聯(lián)系統(tǒng)的頻率特性，可以驗證系統(tǒng)供應(yīng)商的產(chǎn)品實現(xiàn)，是進行系統(tǒng)交聯(lián)和飛控閉環(huán)試驗的前提。

b.飛控電子部分端到端的頻率特性驗證

現(xiàn)在民機大多采用電傳控制律，通常包括前向支路和反饋支路。前向支路是從桿到舵的直接鏈；反饋支路是傳感器測得的飛機響應(yīng)信號到舵面指令的支路，通過加入濾波器、調(diào)節(jié)反饋增益改善頻率及阻尼比，通過加入結(jié)構(gòu)陷波器，對傳感器輸出包含的彈性模態(tài)頻率信號進行抑制。衡量結(jié)構(gòu)陷波器的設(shè)計好壞的指標(biāo)有陷波頻率、陷波深度和陷波寬度。陷波器等濾波器在工程實現(xiàn)時，通常采用tustin變換，陷波中心頻率和陷波深度會有一定的偏移，需要通過prewarping技術(shù)修正。因此，通過掃頻，可以與桌面設(shè)計模型對比，驗證飛控電子部分實現(xiàn)的正確性。

2 驗證閉環(huán)飛機穩(wěn)定裕度

穩(wěn)定裕度是表征系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。美軍標(biāo)MIL-F-9490D[2]中規(guī)定了所有氣動力閉合的飛行控制系統(tǒng)回路，相對于名義值的增益和相位的裕量要求。在整個使用飛行包線內(nèi)，在最不利的重心位置、質(zhì)量分布和外掛方案的飛行條件下，以及在地面工作中都應(yīng)保持所規(guī)定的裕量。

閉環(huán)穩(wěn)定裕度試驗需要考慮的因素包括：氣動加載、作動器不同工作模式的影響。如果掃頻時間過長會導(dǎo)致飛機偏離原來狀態(tài)點，則需要考慮鎖定速度掃頻。對于多反饋回路的飛控系統(tǒng)，需要分別考慮作動器處斷開和傳感器處斷開的穩(wěn)定裕度，由于作動器是飛控系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，重要性不言而喻，其穩(wěn)定裕度指標(biāo)通常會高于傳感器斷開測得的穩(wěn)定裕度。

3 驗證等效延時

低階等效系統(tǒng)方法是為了評價高階增穩(wěn)飛機的飛行品質(zhì)而引入的一種方法，是目前評定或預(yù)測飛行品質(zhì)的重要方法。高階增穩(wěn)飛機的低階等效系統(tǒng)是指，兩個系統(tǒng)在相同的初始條件及外界激勵下，在一定頻域范圍內(nèi)或時間區(qū)段內(nèi)，相應(yīng)的輸出量差值在某個指標(biāo)意義下達到最小，稱該低階系統(tǒng)為原高階增穩(wěn)系統(tǒng)的等效系統(tǒng)。該等效系統(tǒng)可采用頻域或時域擬合技術(shù)求得。根據(jù)多年使用經(jīng)驗及軍用規(guī)范，提倡使用頻域擬合方法。

通常由飛行員在駕駛桿處提供激勵或信號仿真器注入掃頻信號，采集飛機響應(yīng)參數(shù)，得到該通道的等效系統(tǒng)及等效延時。

4 其他應(yīng)用

氣動伺服彈性ASE是電傳操縱飛機必須考慮的嚴重問題。是飛控系統(tǒng)與飛機結(jié)構(gòu)模態(tài)、非定常氣動力產(chǎn)生耦合后的表現(xiàn)形式。能否客觀準(zhǔn)確給出ASE穩(wěn)定裕度，直接涉及包線擴展試飛的安全。結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合（SMI）試驗試驗?zāi)康氖谦@取飛機伺服彈性穩(wěn)定性特性，通常會在地面試驗階段進行，通過試驗測得的結(jié)構(gòu)模態(tài)特性，可以驗證控制律部分結(jié)構(gòu)陷波器的設(shè)計是否合理。

5 結(jié)論

頻域試驗是飛控系統(tǒng)地面驗證試驗的重要組成部分。本文給出了掃頻在地面驗證階段頻域試驗中的具體應(yīng)用，對于飛控系統(tǒng)的研制驗證過程有一定的借鑒意義。

【參考文獻】

[1]Tischler，Mark B，and Hemple，Robert K.Aircraft and Rotorcraft System Identification.AIAA Education Series，2007.

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

[責(zé)任編輯：田吉捷]