民用飛機橫航向控制增穩系統設計方法研究綜述

譚茹

【摘 要】本文分析了國內外民用飛機橫航向控制增穩系統研究現狀，并定義了橫航向控制增穩系統架構組成及功能。按照美國軍方現行的MIL-HDBK-1797飛行品質評定準則，確定了橫航向控制增穩系統品質評定范圍及指標，并進一步總結出橫航向控制增穩系統的主流設計方法，為我國未來民用飛機橫航向控制增穩系統設計開發及飛行品質的評定提供一定的參考。

【關鍵詞】民用飛機；橫航向；控制增穩；設計方法

0 引言

控制增穩和電傳操縱技術在美國、西歐等航空發達國家發展已相當成熟。20世紀60年代的軍用運輸機C-5A、C141等均采用了控制增穩技術以改善飛機的飛行品質，并取得了成功。1986年投入運營的空客A320飛機，開啟了商用客機采用電傳操縱系統的新紀元。1995年，Boeing公司的B777飛機也采用了電傳操縱和主動控制技術。目前最先進的民用客機A380和B787也沿用了電傳操縱技術[1]。

國內對于控制增穩和電傳技術的理論和方法研究開展已久，并在作戰飛機上得到了應用。然而，國內的研究對象大多局限在戰斗機等IV類飛機，運輸類飛機在飛機質量、幾何構型、機動性等方面與戰斗機有很大區別。隨著航空市場需求量的增加，國內亦開始了自主知識產權的運輸機、民航客機的研制工作，而飛行控制系統也是與國外先進技術水平差距較大的領域之一。因此，系統地開展運輸類飛機的控制增穩技術的理論和應用方法的研究具有實際的工程指導意義。

1 橫航向控制增穩系統組成及功能

1.1 增穩系統

橫航向通道通過引入不同的反饋信號來改善相應的穩定特性，包括動穩定性（阻尼）和靜穩定性，飛機典型的橫航向增穩回路結構示意圖如圖1所示。

圖1 橫航向增穩（SAS）示意圖

從圖1中可知，橫航向增穩系統（SAS）由橫向通道和航向通道共同構成，兩個通道需要同時引進增穩信號才能保證其具有良好的模態特性。一般地，可在橫向通道中引入滾轉角速度p反饋來改善飛機的滾轉模態特性，引入滾轉角？準信號來改善螺旋模態特性。為了提高飛機在高空高速下的荷蘭滾阻尼比，需要在方向舵通道中引入經過高通濾波器的偏航角速度r信號；為了提高飛機的振蕩頻率，可引入側滑角？茁反饋。若側滑角測量不準確時，可用側向過載ny來代替側滑角信號。

1.2 控制增穩系統

圖2 橫航向控制增穩（CSAS）示意圖

控制增穩系統（CSAS）是由增穩系統（SAS）發展而來的，同時，還將飛行員操縱駕駛桿的指令信號變換為電信號，并經過濾波、整形處理后引入到增穩系統中，與飛機運動測量信號綜合后輸入到操縱面執行機構[2]。控制增穩系統的典型結構如上圖2所示。

如圖2所示，控制增穩系統引入桿力前饋信號，補償飛機靜操縱性的下降，以使滾轉操縱靈敏度滿足相應飛行品質的要求，通過控制律結構和參數的調整，可以保證全包線內飛機具有同樣好的飛行品質。

1.3 控制增穩系統功能

a.增穩作用

控制增穩系統中的增穩回路采用的反饋增益比單純的增穩系統高。增穩反饋回路可用于改善飛機的滾轉模態特性和高空高速時的荷蘭滾阻尼和頻率。機動指令（包括滾轉角變化率、側滑角等）反饋回路相當于處于最外環的反饋控制回路，同樣會對飛機的穩定性帶來影響。

b.指令飛機響應

通過控制增穩系統的前饋和反饋的設計，可以使得駕駛員的操縱指令不再與飛機的操縱面相對應，而是直接控制飛機的運動參數響應，即控制增穩系統將直接控制飛機的響應（滾轉角速度、滾轉角和側滑角等）。

以副翼通道為例，前向通路通過一定的信號處理將駕駛員的桿力或桿位移信號轉化為飛機的機動指令信號ua，同時機動指令的實際響應值■a通過外環機動指令反饋回路與飛機的指令信號相綜合，得到指令誤差信號：uae=ua-■a，誤差信號經過校正補償環節后輸入到飛機的執行機構，使舵面向著消除信號誤差的方向偏轉，最終使飛機的實際響應跟蹤指令信號。機動指令信號的選取必須要符合飛機的操縱響應特性。例如，飛機的副翼操縱主要是產生滾轉角速度響應，在巡航飛行階段，為了使飛機的副翼操縱響應與未加控制增穩前的飛機響應特性相近，這時選取飛機的滾轉角速度作為副翼通道的機動指令是駕駛員能夠接受的。

c.改善靜操縱性

只加入增穩系統往往會降低飛機的靜操縱性，此時需要引入由桿力前饋信號構成的前向通道，由于前向通道駕駛桿輸入信號到副翼偏角的穩態增益KF與機械通道駕駛桿輸入到升降舵偏角傳動比（增益）極性相同，且KF值可以通過指令梯度Kc調整，所以駕駛桿輸入前饋增加了駕駛桿輸入到升降舵偏角的穩態增益，即增加了操縱量以補償由于增穩反饋導致的閉環增益下降，從而改善了飛機的靜操縱性。

d.橫航向解耦

由于飛機橫向和航向運動耦合嚴重，駕駛員操縱負荷較重，例如，在轉彎機動中出現不協調運動，容易產生較大的側滑角，導致阻力的增加和導航的困難，因此飛機橫航向控制增穩系統通常需要進行橫航向解耦設計，橫航向解耦通常需要達到的目標有，一是盡量消除在滾轉操縱中出現側滑響應，設計方法通常是增加副翼—方向舵交聯模塊；二是偏航操縱時具有正常的側滑角響應，由側滑角引起的滾轉趨勢可以通過副翼調節自動抵消，實現的方法是在副翼通道引入滾轉角速度信號。

2 橫航向飛行品質評定范圍

對于橫航向的飛行品質，根據民用飛機對象的特點，對其常見的飛行品質進行評定，主要包括[3]：

a.模態評定

主要包括了滾轉模態、荷蘭滾模態和螺旋模態。

b.操縱效能評定

（1）滾轉軸操縱效能評定

MIL-HDBK-1797規定了諸多關于滾轉操縱特性方面的要求，這里僅就其中常用的要求做出相應的評定。即采用給定時間內滾轉角變化來描述飛機的滾轉操縱性能，一般通過計算飛機在滿駕駛桿（盤）力下達到30°滾轉角的變化時間來評定。

（2）定常側風著陸下的偏航軸操縱效能

航向操縱特性應使駕駛員能夠平衡偏航力矩和控制偏航與側滑。航向操縱腳蹬力的靈敏度應當足夠的高，使航向操縱力的要求得以滿足，并且在不用非常大的腳蹬力時便可以獲得滿意的協調性。同時，操縱的靈敏度也不應過高，以免偶然不適當的操縱輸入就會嚴重地降低飛機的飛行品質等級[4]。

3 橫航向控制增穩系統設計方法

在控制系統設計方面，隨著飛機結構變的復雜、新的控制舵面和矢量推力等技術的應用，利用現代控制理論方法設計飛行控制系統的多變量控制理論得到發展與應用。目前，經過分析和設計驗證表明，適于飛控系統的現代設計方法主要有以下幾種[5]：

a.最優二次型設計方法

最優二次型設計方法包括輸出反饋的最優二次型、顯模型跟蹤及隱模型跟蹤最優二次型等，是用于飛行控制系統設計較早、較多且較成熟的一種方法。采用最優控制技術設計的優點主要有（1）設計是基于系統的狀態變量模型，狀態變量模型比傳遞函數的描述包括更多的系統信息，從而容易得到完善的控制系統性能；（2）設計時采用一個數學上準確的性能指標來描述系統的性能規范，從這個性能指標出發，便可求得系統的控制增益矩陣，這相當于同時閉合了多個控制回路并使各控制回路的性能自動地協調。

b.LQG/LTR方法

最優二次高斯/回路傳遞函數（LQG/LTR）方法近年在學術界及工業界均很流行。線性二次高斯（LQG）最優控制方法是一種基于狀態觀測器的線性最優控制方法，能處理有附加噪聲影響或狀態不能直接測量的線性系統控制問題，但狀態觀測器的引入將使系統的穩定裕度減小。由此提出了一種LQG的回路傳輸恢復技術（LQG/LTR），它綜合了線性二次型調節器和線性時不變Kalman濾波器的魯棒特性，能在系統的輸出端得到所需要的回路傳輸恢復增益。

c.非線性系統動態逆設計方法

近年來，國際上圍繞第四代殲擊機提出了“超機動性”，即“過失速機動”的新概念。這種機動需要突破失速禁區，涉及大范圍非線性、非定常氣動力及強耦合問題，飛機的運動方程已完全是多自由度非線性方程，要求飛機必須采用非線性模型進行控制律的有效設計。在眾多非線性設計方法中，利用動態逆實現反饋線性化，是一種正在興起的方法。

d.特征結構配置方法

線性系統的響應不僅與系統的特征值有關，而且與系統的特征向量有關，因而線性系統的特征結構（包括特征值和特征向量）配置設計比單純的極點配置設計更能把握系統的性能。特征結構配置方法的研究始于20世紀60年代，它是一種基于時間域的多變量系統設計方法，提供了模態分解手段，所以在解耦控制中非常有用。特征結構配置設計方法是設計人員根據飛機飛行品質要求直接選擇適當的特征值和特征向量以達到期望的性能。在飛機的特征結構配置設計方法中，特征值用于使閉環系統的穩定，特征向量用于動態響應的解耦，兩者一起保證系統的動態性能。

4 小結

本文以民用飛機橫航向控制增穩系統為研究對象，分析了控制增穩系統研究現狀、架構組成，重點解讀了控制增穩系統功能及設計方法，為民用飛機橫航向控制增穩系統設計及飛行品質評估提供參考。

【參考文獻】

[1]Mitchell，D.G，et al The evolution，revolution，and challenges of handling qualities[R].AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit 11-14 August 2003，Austin，Texas，AIAA Paper 2003-5465，2003.

[2]高金源，等.飛機飛行品質[M].北京：國防工業出版社，2003（1）.

[3]歐陽紹修，劉振欽.大型運輸機橫航向飛行品質要求初探[J].飛行力學，2007年3月，VOL25，NO1，pp12-14.

[4]MIL-HDBK-1797，Military Handbook，Flying Qualities of Piloted Aircraft[S]. December 1997.

[5]ROBERT C.NELSON，Fight Stability and Automatic Control[M].北京：國防工業出版社，2008（1）.

[責任編輯：田吉捷]