大型飛機超速保護模糊控制律設計與仿真

薛源 王博 江飛鴻 薛軼凡

摘要：大型飛機的速度/馬赫數超過了使用包線右邊界后，會對機體結構強度造成損傷，飛行員需要在短時間內以較大的操縱負擔將飛機改出超速狀態。本文研究提出了超速保護功能的設計理念及要求，采用模糊控制策略設計了超速保護控制律，控制飛機超速后自動產生相應的正法向過載，爬升減速改出超速狀態，從而達到對速度/馬赫數的自動保護，提高飛機超速后安全性及減輕飛行員操縱負擔。仿真結果表明，該控制律能夠有效保證飛機超速后對速度/馬赫數的保護及使飛機自動改出超速狀態，飛機響應滿足相關規范要求，具有良好的控制效果。

關鍵詞：超速保護；模糊控制；控制律；大飛機；仿真

中圖分類號：V249.1文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.10.007

隨著航空科學技術的發展，飛行控制系統經歷了機械操縱控制、模擬電路控制及數字計算機控制的發展歷程，現代飛機廣泛采用基于數字計算機的電傳飛行控制系統。數字計算機控制具有容易實現復雜控制律結構及參數復雜變化規律的優勢，在解決了飛機操縱性及穩定性傳統問題的基礎上，為減輕飛行員操縱負擔和提高飛機安全性，飛行包線邊界保護功能也被列入數字電傳飛行控制系統飛機的必備需求。

對于大型飛機而言，其任務使命決定了對高安全性的要求，長航時飛行的特點提出了減輕飛行員操縱負擔的需求。因此，飛行包線邊界保護功能對于大型飛機尤其重要。超速保護功能是大型飛機一項重要的飛行包線邊界保護功能，能夠有效防止飛機速度過大造成機體損傷，并實現將飛機自動改出超速狀態，減輕飛行員操縱負擔。目前，空客和波音公司生產的典型大型飛機（如A320系列和波音777系列）都具有超速保護功能，實現了在飛行包線右邊界附近的“無憂慮”安全飛行。然而，我國大型飛機數字電傳飛行控制系統發展起步較晚，需要對飛行包線邊界保護功能進行研究，為大型飛機研制及發展提供理論及技術支撐[1]。

對目前現役的典型運輸類飛機的超速保護功能進行分析，結合適航條款等規章要求，提出超速保護控制律的設計要求及理念，采用模糊控制策略完成超速保護控制律的設計，實現飛機超速保護功能。

1問題描述

能夠實現“無憂慮”操縱，這是數字電傳飛行控制系統飛機的主要特點之一。為了避免飛機速度過大而造成機體結構強度損傷，在飛行手冊中一般會明確飛機的最大使用速度/馬赫數（VMO/MaMO）及設計俯沖速度/馬赫數（VD/ MaD）。當飛機超過最大使用速度/馬赫數時，告警系統會給予飛行員超速告警提示，飛行員發現飛機超速后就必須操縱飛機減速，由于在高速狀態下飛機法向過載響應靈敏，因此在改出超速狀態時需要注意飛機法向過載的變化。由此可見，飛機超速后需要飛行員以較大的負擔操縱飛機回到正常速度。為了減輕飛行員負擔及提高飛機安全性，需要設計超速保護控制律，即當飛機超速后，對飛機速度進行保護，避免速度進一步增大，同時提供自動改出超速的能力。

2設計要求及設計理念

2.1設計要求

目前，我國大型飛機設計參考的主要規范有我國的GJB 2874—1997電傳操縱系統飛機的飛行品質、GJB 185—1986有人駕駛飛機（固定翼）飛行品質以及美國的MIL-HDBK—1797有人駕駛飛機（固定翼）飛行品質，以及美國的CCAR 25部運輸類飛機適航標準及AC 25-7C運輸類飛機合格審定飛行試驗指南等，這些規范中未對超速保護功能有明確的要求。其中，CCAR 25部25.253條高速特性章節，給出了增速特性和速度恢復特性要求，但并未明確給出針對超速保護功能的要求。AC 25-7C中給出了高速特性試飛方法及要求，對超速改出期間的法向過載提出了定量要求，即通過申請人選定的改出程序改出，在改出期間法向過載不應大于1.5（總的）。結合設計目的及相關要求，超速保護功能設計要求如下：（1）安全性要求：最嚴酷的操縱工況下（持續滿推桿情況），飛機速度不超過設計俯沖速度/馬赫數。（2）舒適性要求：按照AC 25-7C中的要求，當飛機以6°～l2°的俯仰姿態俯沖，加速到超速告警發出后3s，通過規定的改出程序改出，在改出期間法向過載不大于1.5。

2.2設計理念

通過對飛行手冊進行研究，空客和波音公司現役5種機型的超速保護功能目的及設計理念見表1。可看出，當飛機速度增大到VMO/MaMO以上時，超速保護功能開啟，俯仰配平被凍結，飛行員操縱飛機俯沖的指令被衰減，同時使飛機產生一個持續的正過載，飛機逐漸抬頭爬升，從而限制飛機速度的繼續增大，使飛機自動改出超速狀態。另外，A380飛機明確了持續滿推桿操縱情況下，飛機速度也會被限制在相應速度范圍內。

3控制律設計

3.1控制律架構設計

控制增穩控制律實現對飛機操縱性和穩定性的改善，使飛機具有良好的飛行品質。將控制飛機法向過載作為縱向控制增穩的目標，控制增穩控制律作為內回路，超速保護控制律作為外回路，從而實現超速保護功能，控制律架構如圖1所示。

內回路采用經典的比例-積分控制算法，前向通道將駕駛桿位移轉換為過載指令；比例通道引入俯仰角速率和法向過載反饋，改善過載響應動態特性；積分通道實現過載指令的無靜差控制，從而達到桿位移操縱對飛機法向過載精確控制的目的。外回路基于當前飛機指示空速和馬赫數，采用模糊控制策略生成超速保護駕駛桿位移指令，并與駕駛桿位移進行綜合，通過內回路實現飛機法向過載的精確控制，改變飛機姿態，實現速度/馬赫數的保護[2-4]。另外，飛行員推桿操縱會使飛機建立俯沖姿態，導致飛機速度增加。因此，當飛機超速后，需要對推桿操縱進行衰減，從而抑制由于操縱產生的飛機速度的增加。拉桿操縱會使飛機建立爬升姿態，使飛機速度減小，因此超速后對拉桿操縱不進行衰減，該功能由圖1中的超速后推桿操縱衰減模塊實現。

3.2模糊控制器設計

采用模糊控制策略生成外回路超速保護駕駛桿位移指令，根據當前飛機指示空速/馬赫數的大小，實時調整超速保護駕駛桿位移指令，控制飛機產生法向過載爬升減速，達到對飛機速度/馬赫數的保護，圖1中外回路模糊控制器架構如圖2所示。設指示空速和馬赫數分別為輸入，指示空速語言變量為Vi，論域為{小，中，大}，輸入范圍為[VMOVD]；馬赫數語言變量為Ma，論域為{小，中，大}，輸入范圍為[MaMO MaD]；超速保護駕駛桿位移指令為輸出，語言變量為Cmd，論域為{弱，中，強}，隸屬度函數選為高斯型函數形式[5-8]。

制定如下模糊規則調整超速保護駕駛桿位移指令：（1）如果Vi為小且Ma為小，則Cmd為弱；（2）如果Vi為小且Ma為中，則Cmd為中；（3）如果Vi為小且Ma為大，則Cmd為強；（4）如果Vi為中且Ma為小，則Cmd為中；（5）如果Vi為中且Ma為中，則Cmd為中；（6）如果Vi為中且Ma為大，則Cmd為強；（7）如果Vi為大且Ma為小，則Cmd為強；（8）如果Vi為大且Ma為中，則Cmd為強；（9）如果Vi為大且Ma為大，則Cmd為強。

由以上模糊規則可知，當Vi為小且Ma為小時，指示空速和馬赫數分別超過VMO和MaMO較少，需要較弱的超速保護指令對飛機速度進行保護；當Vi為小且Ma為中，或者Vi為中且Ma為小時，或者Vi為中且Ma為中，說明指示空速或馬赫數分別超過VMO或MaMO較多，需要中等的超速保護指令對飛機速度進行保護；當Vi為大或Ma為大，或者Vi為大且Ma為大時，說明指示空速或馬赫數分別大幅超過VMO或MaMO，需要較強的超速保護指令對飛機速度進行保護。通過以上模糊控制規則，能夠根據當前指示空速和馬赫數合理的調整超速保護駕駛桿位移指令，控制飛機產生相應的法向過載，實現對飛機速度的保護[9-10]。另外，按照AC 25-7C中對飛機俯沖進入超速狀態后改出過程法向過載不大于1.5的要求，需要根據對象飛機的桿位移-過載梯度設置Cmd的范圍，進而保證超速保護駕駛桿位移指令產生的法向過載指令在該工況不超過1.5。

4仿真結果

假設某飛機VMO為550km/h，VD為640km/h，MaMO為0.77，MaD為0.83，飛機重量（質量）為150t，高度8km，駕駛桿位移范圍為[-150 100]mm。模糊控制策略中的Vi輸入范圍為[550 640]，Ma輸入范圍為[0.77 0.83]。設該飛機的桿位移—過載梯度為100mm，Cmd輸出范圍設置為[0 100]，即超速保護功能最大產生1法向過載增量。隸屬度函數分別為圖3～圖5所示，圖中縱坐標為隸屬度，取值范圍為[0 1]，隸屬度接近1，表示對于橫坐標屬于相應的語言變量程度越高；隸屬度接近0，表示對于橫坐標屬于相應的語言變量程度越低。另外，當指示空速達到580km/h或馬赫數達到0.8時，將推桿位移指令衰減至0。按照以下兩種工況進行仿真。

（1）工況1

驗證前述設計要求中的“舒適性要求”。馬赫數超速后的保護邏輯與指示空速超速保護邏輯相同，僅進行指示空速超速情況仿真，對于馬赫數超速情況不再贅述。

仿真曲線如圖6所示，在第2s時進行推桿操縱建立俯沖俯仰角，4.5s時刻俯沖俯仰角達到12°，俯仰角建立成功后駕駛桿回中，隨后飛機俯沖增速，5.8s時指示空速大于VMO進入超速狀態，當超過VMO后3s飛行員按照指定的超速改出程序立即收油門至慢車位，之后超速保護功能自動將飛機改出超速狀態。整個過程飛機指示空速未超出VD，且法向過載最大為1.42，滿足不超過1.5的要求。

（2）工況2

驗證前述設計要求中的“安全性要求”。仿真曲線如圖7所示，從第5s時開始持續滿推桿操縱，飛機最大俯沖俯仰角超過了20°，最大指示空速為633km/h，最大馬赫數為0.798，均未超出VD和MaD，達到了極限操縱工況下對飛機速度/馬赫數保護的效果。由于油門桿一直處于最大油門位置，因此圖7中未繪制油門桿曲線。

通過仿真曲線可看出，兩種工況在超速保護控制律作用下，飛機速度/馬赫數、法向過載等響應滿足設計要求，所設計的控制律有效地實現了對飛機速度/馬赫數的保護。

5結束語

本文研究了大型飛機超速保護控制律設計問題，分析了超速保護功能設計理念及設計要求，基于模糊控制理論設計了超速保護控制器，實現了飛機速度/馬赫數超速后自動改出及保護。仿真結果驗證了該控制律的有效性，能夠為大型飛機超速保護功能設計提供參考。

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作者簡介

薛源（1986-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛行控制系統控制律設計。

Tel：13709194905

E-mail：xueyuan007521@126.com

Design and Simulation of Fuzzy Control Law for Overspeed Protection of Large Aircraft

Xue Yuan*，Wang Bo，Jiang Feihong，Xue Yifan

AVIC The First Aircraft Institute，Xian 710089，China

Abstract： The speed/Mach number of a large aircraft exceeds the right boundary of the flight envelope， which will cause damage to the structural strength of the aircraft. The pilot needs to change the aircraft out of the overspeed condition with a large maneuvering burden in a short time. The paper proposes the design concept and requirements of the overspeed protection function. The fuzzy control strategy is used to design the overspeed protection control law. After overspeed， the corresponding normal overload is automatically generated. The speed is reduced out of the overspeed state due to climbs up， thus reaching the protection of speed/Mach number. It improves the safety of the aircraft and reduces the pilots handling burden. The simulation results show that the control law can effectively guarantee the speed/Mach number protection after the aircraft overspeed and automatically change the aircraft out of the overspeed state. The aircraft response meets the relevant specifications and has good control effect.

Key Words： overspeed protection； fuzzy control； control law； large aircraft； simulation