民用飞机横航向增稳控制系统设计论文

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1民用飞机横航向增稳系统设计方案

控制增稳的控制律设计,首先要满足稳定性要求。设计实践经验表明,在线性设计阶段,应力求留出足够的幅值稳定裕量和相位裕量;从而使非线性设计和实际系统交付时,得以满足6分贝幅值裕量和45°相位裕量的指标要求。具体设计指标如下。滚转轴操纵具备滚转角速度控制/倾斜角姿态保持响应类型,并具有自动转弯协调能力。偏航角操纵具备常规的侧滑角控制响应类型,而由侧滑引起的滚转趋势可以通过副翼调节自动防御。荷兰滚阻尼比大于0.5,滚转角速度响应零点和荷兰滚极点尽量对消,以提高乘坐品质。滚转模态半衰期足够小。

1.1基于滚转角速率反馈副翼的控制方案

滚转角速率反馈的主要目的是减少飞机滚转性能随飞行条件的变化。可以在提高动稳定性的同时,改善以致消除滚转角速率振荡引起的倾斜角振荡,并在全包线内获得良好的横航向控制增稳能。

1.2基于侧向过载或侧滑角反馈控制方案

引入侧向过载或侧滑角反馈有利于提高荷兰滚模态频率。同时引入偏航角速率和侧向过载反馈不仅可以补偿航向静安定度,而且有助于减小滚转机动和侧向扰动时的侧向过载和侧滑角。因此,在偏航通道和滚转通道中分别引入滚转角速率反馈和偏航角速率反馈可以增加相应通道的阻尼比,引入侧滑角或侧向过载反馈则可以增加系统静稳定性,但同样会减小系统阻尼。以上三种反馈控制方案的优、缺点总结于表1中。对于横侧向增稳来说,单独引入角速率反馈、侧向过载或侧滑角反馈不会使系统有较理想的特性。由于滚转和偏航运动的耦合关系,通常采用在副翼通道中引入滚转角速率、侧滑角、侧向过载反馈、在方向舵通道中引入偏航角速率、侧向过载、侧滑角反馈的综合增稳控制方案,如图1所示。

(1)在滚转通道中引入滚转角速率反馈可以提高飞机的滚转阻尼;在偏航通道中引入偏航角速率的负反馈,增大了荷兰滚的阻尼比,实现了偏航阻尼的功能,从而改善了高空飞行时的航向阻尼和荷兰滚阻尼特性。

(2)引入与副翼偏转同极性的正反馈比例信号,可以减小侧滑角,以实现自动协调转弯。

(3)在偏航通道中引入侧滑角的负反馈,可以增大航向运动的固有频率,起到偏航增稳系统的功能。

(4)在副翼通道引入侧滑角或侧向过载信号,使副翼产生滚转力矩以减小飞机过大的横向静稳定性导数,来改善飞机的滚摆比。

2民用飞机横航向增稳系统设计与分析

对自然飞机的稳定性仿真可知,原系统滚转阻尼、荷兰滚阻尼、航向静稳定性都不够,荷兰滚模态与滚转模态之间存在严重耦合,造成系统响应振荡剧烈,因此,为使系统具有较好的动态特性和稳定性,需要进行增稳控制。除了在航向通道中没有引入与副翼偏转同极性的正反馈比例信号,本文采用了图1所示的增稳系统架构来进行控制律设计。常规控制律设计方法主要采用经典单回路频域或根轨迹方法设计。当随着民用飞机结构变得更加复杂,各运动模态之间的耦合更加密切,控制系统变得更加复杂,经常为多输入多输出系统,这些都使得常规的单回路设计方法难以完成相应的飞行控制设计。因此现代设计方法逐渐被应用到飞行控制系统设计中,如最优二次型设计方法、LQG/LTR方法、特征结构配置方法、非线性系统动态逆设计方法等。本文采用最优二次型设计方法对横航向增稳控制律进行设计,该方法主要优点在于为了使性能代价函数最小化,所有控制增益能同时获得。

3结语

该文在进行横航向增稳系统设计时,主要是采用了滚转角速率和侧滑角反馈到副翼以及偏航角速率和侧滑角反馈到方向舵的控制构型,后续可以考虑加入副翼到方向舵的交联信号和滚转角速率与迎角的乘积到方向舵回路的交联信号来进行横航向增稳控制系统的设计。另外当飞控系统降级为到辅助模式或者直接模式下运行,同样需要设计横航向增稳控制系统,以保证飞机具有一定的稳定性及操纵品质,此时横航向增稳系统的架构取决于降级后传感器测量的可利用信号。

作者:陈磊 单位:上海飞机设计研究院