民用飛機橫航向增穩控制系統設計論文

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1民用飛機橫航向增穩系統設計方案

控制增穩的控制律設計,首先要滿足穩定性要求。設計實踐經驗表明,在線性設計階段,應力求留出足夠的幅值穩定裕量和相位裕量;從而使非線性設計和實際系統交付時,得以滿足6分貝幅值裕量和45°相位裕量的指標要求。具體設計指標如下。滾轉軸操縱具備滾轉角速度控制/傾斜角姿態保持響應類型,并具有自動轉彎協調能力。偏航角操縱具備常規的側滑角控制響應類型,而由側滑引起的滾轉趨勢可以通過副翼調節自動防御。荷蘭滾阻尼比大于0.5,滾轉角速度響應零點和荷蘭滾極點盡量對消,以提高乘坐品質。滾轉模態半衰期足夠小。

1.1基于滾轉角速率反饋副翼的控制方案

滾轉角速率反饋的主要目的是減少飛機滾轉性能隨飛行條件的變化?？梢栽谔岣邉臃€定性的同時,改善以致消除滾轉角速率振蕩引起的傾斜角振蕩,并在全包線內獲得良好的橫航向控制增穩能。

1.2基于側向過載或側滑角反饋控制方案

引入側向過載或側滑角反饋有利于提高荷蘭滾模態頻率。同時引入偏航角速率和側向過載反饋不僅可以補償航向靜安定度,而且有助于減小滾轉機動和側向擾動時的側向過載和側滑角。因此,在偏航通道和滾轉通道中分別引入滾轉角速率反饋和偏航角速率反饋可以增加相應通道的阻尼比,引入側滑角或側向過載反饋則可以增加系統靜穩定性,但同樣會減小系統阻尼。以上三種反饋控制方案的優、缺點總結于表1中。對于橫側向增穩來說,單獨引入角速率反饋、側向過載或側滑角反饋不會使系統有較理想的特性。由于滾轉和偏航運動的耦合關系,通常采用在副翼通道中引入滾轉角速率、側滑角、側向過載反饋、在方向舵通道中引入偏航角速率、側向過載、側滑角反饋的綜合增穩控制方案,如圖1所示。

(1)在滾轉通道中引入滾轉角速率反饋可以提高飛機的滾轉阻尼;在偏航通道中引入偏航角速率的負反饋,增大了荷蘭滾的阻尼比,實現了偏航阻尼的功能,從而改善了高空飛行時的航向阻尼和荷蘭滾阻尼特性。

(2)引入與副翼偏轉同極性的正反饋比例信號,可以減小側滑角,以實現自動協調轉彎。

(3)在偏航通道中引入側滑角的負反饋,可以增大航向運動的固有頻率,起到偏航增穩系統的功能。

(4)在副翼通道引入側滑角或側向過載信號,使副翼產生滾轉力矩以減小飛機過大的橫向靜穩定性導數,來改善飛機的滾擺比。

2民用飛機橫航向增穩系統設計與分析

對自然飛機的穩定性仿真可知,原系統滾轉阻尼、荷蘭滾阻尼、航向靜穩定性都不夠,荷蘭滾模態與滾轉模態之間存在嚴重耦合,造成系統響應振蕩劇烈,因此,為使系統具有較好的動態特性和穩定性,需要進行增穩控制。除了在航向通道中沒有引入與副翼偏轉同極性的正反饋比例信號,本文采用了圖1所示的增穩系統架構來進行控制律設計。常規控制律設計方法主要采用經典單回路頻域或根軌跡方法設計。當隨著民用飛機結構變得更加復雜,各運動模態之間的耦合更加密切,控制系統變得更加復雜,經常為多輸入多輸出系統,這些都使得常規的單回路設計方法難以完成相應的飛行控制設計。因此現代設計方法逐漸被應用到飛行控制系統設計中,如最優二次型設計方法、LQG/LTR方法、特征結構配置方法、非線性系統動態逆設計方法等。本文采用最優二次型設計方法對橫航向增穩控制律進行設計,該方法主要優點在于為了使性能代價函數最小化,所有控制增益能同時獲得。

3結語

該文在進行橫航向增穩系統設計時,主要是采用了滾轉角速率和側滑角反饋到副翼以及偏航角速率和側滑角反饋到方向舵的控制構型,后續可以考慮加入副翼到方向舵的交聯信號和滾轉角速率與迎角的乘積到方向舵回路的交聯信號來進行橫航向增穩控制系統的設計。另外當飛控系統降級為到輔助模式或者直接模式下運行,同樣需要設計橫航向增穩控制系統,以保證飛機具有一定的穩定性及操縱品質,此時橫航向增穩系統的架構取決于降級后傳感器測量的可利用信號。

作者:陳磊 單位:上海飛機設計研究院