电传飞控系统控制精度分析

郭建伟

（上海飞机设计研究院，上海 200436）

飞行控制系统是飞机最重要的系统之一，飞行员通过飞行控制系统控制飞机各个操纵面的位置，从而控制飞机的姿态，飞行员操纵飞机姿态的精确性或者说飞控系统的控制精度直接关系到飞机的飞行性能和操纵品质。目前电传飞行控制系统正在逐步取代传统的机械操纵系统，相比机械操纵系统，电传飞控系统省去了很多诸如钢索、滑轮、摇臂和拉杆等传动机构，安装在驾驶舱内的指令感知传感器将飞行员的动作指令转换为电信号，并将电信号发送到飞控计算机，飞控计算机按照控制律进行计算后将控制指令发送给执行机构的控制器，由控制器和执行机构（作动器）所组成的伺服控制系统驱动飞机各个操纵面运动。由于消除了相当多的由长线系机械传动所引发的弹性变形、间隙等影响，因此电传飞行控制系统的控制精度比机械操纵系统的精度要高出很多，本文也仅对电传飞行控制系统的精度问题进行分析。

1 电传飞控系统控制误差产生原因

从功能和作用上来看，电传飞行控制系统主要由三部分组成：驾驶舱操纵机构（含指令感知传感器）、舵面伺服控制系统（或作动系统，包括作动器及其控制器等）、飞控计算机等电子控制设备。

如前所述，驾驶舱操纵机构负责将飞行员的动作指令转换为电信号，飞控计算机等电子控制设备负责对代表飞行员指令的电信号进行处理和计算，舵面伺服控制系统执行从飞控计算机发出的指令，驱动舵面运动到达指定位置。因此，我们分别从这三个部分对系统控制误差产生的原因进行研究。

1.1 驾驶舱操纵机构产生的误差

飞控系统在驾驶舱内的操纵器件一般包括驾驶杆、驾驶盘、脚蹬以及各类手柄、开关等，传动器件包括摇臂、推拉杆、钢索、扇形轮等，飞行员的动作指令通过操纵器件和传动器件到达指令感知传感器，即位置传感器。

理论上操纵器件的输入角度和传感器输出信号之间的关系是确定的（近似为线性关系），但操纵器件及传动器件的制造、装配公差以及受载时的弹性变形会导致实际的操纵器件输入角度与传感器输出信号之间的关系与理论存在偏差，并且各传动器件之间的连接间隙（游隙）也会造成这种偏差。此外，传动机构的几何运动关系很可能导致非线性，即操纵器件的位置和传感器的输出电压不是呈严格的线性关系，但这种非线性可以通过系统（例如在飞控计算机内）对传感器信号的整形来消除。

位置传感器是驾驶舱操纵机构误差产生的另一个重要原因，目前用于感知飞行员动作指令的驾驶舱位置传感器多为电位器或旋转可变差动传感器（RVDT）。电位器能够提供良好的线性度，但电位器的机械接触可能造成磨损、使用寿命有限和频率较低。RVDT是非接触装置，无机械磨损问题，并提供较高的频率范围，但线性误差可能大于电位器。不论是电位器还是 RVDT，位置传感器都存在本身的精度问题，主要包括以下方面：①线性度。线性度（或非线性）是传感器信号对输入与输出之间理想“直线”关系的最大偏离。②滞环。滞环是信号在加大或减小时对理想输出的偏离量。③重复精度。重复精度是在依次施加给定输入时，传感器产生相同输出的能力。④温度漂移。模拟式传感器的输出可能会随环境温度的变化而变化。⑤分辨率。数字式传感器的分辨率取决于信号台阶数。

1.2 舵面伺服控制系统产生的误差

舵面伺服控制系统主要包括控制器和作动器。与驾驶舱操纵机构类似，作动器安装支座、舵面操纵接头等关键零件的制造公差、作动器的安装公差、受载后的弹性变形，连接游隙是产生误差的重要原因。同时，舵面伺服控制系统误差产生的原因还包括：①作动器伺服阀的门限（或死区）；②作动器伺服阀的滞环；③温度或压力引起的伺服阀的零点漂移；④控制器中放大器工作点（零点）的漂移；⑤位置反馈传感器的精度或分辨率；⑥位置反馈传感器的温飘。

1.3 飞控计算机等电子控制设备产生的误差

飞控计算机等电子控制设备的误差主要产生于信号的调制与解调、数字信号和模拟信号的相互转换、内部数字信号处理等过程，同时这些误差的大小还受工作环境温度的影响。

除以上介绍的内容之外，由于飞控系统还要从飞机其他系统接收各种信号作为控制律计算的输入，例如大气数据信号、过载信号、飞机姿态信、速率信号等，因此这些信号的误差也会对飞控系统的控制精度产生影响。同时，飞控系统内、外部信号传输过程中引入的外界干扰信号也会不可避免的影响系统的控制精度。

一般地，如果不考虑飞控系统外部信号的误差以及信号传输过程中外界干扰信号的影响，飞行员对舵面位置（人－舵）的控制精度应控制在舵面满行程的±5%以内，其中由飞控计算机等电子控制设备产生的误差约占一半，驾驶舱操纵机构和舵面伺服控制系统的误差各占25%左右。

2 提高飞控系统控制精度的思路和途径

系统的误差是无法根本消除的，只能通过包括设计、制造、安装及调整等在内的多种手段最大限度的减小误差，提高系统精度。根据以上对飞控系统误差产生原因的分析，我们大致可以从以下几个方面提高飞控系统的控制精度：

（1）在设计驾驶舱操纵及传动器件、舵面伺服控制系统的支座及接头时，应充分考虑器件刚度对精度的影响，并严格控制器件的制造公差。

（2）严格控制传动器件之间的连接刚度，例如连接用的销轴与内孔的配合尽量采用过度配合或过盈配合，避免使用间隙配合，导致产生过大的游隙，这些游隙不仅仅影响系统的精度，而且还会导致系统的振荡甚至舵面颤振，应努力将这种游隙减小到零。

（3）驾驶舱操纵机构或舵面伺服机构安装完毕后，须对位置传感器的零位进行机械或电子调整，以消除部分由制造和装配引入的误差。但无论是机械调整还是电子调整都存在调整本身的最小分辨率问题，通常该分辨率换算成舵面的偏度可以达到0.1 °左右。此外，有些制造误差所带来的影响是无法通过安装后的调整来消除的，比如操纵摇臂的长度（作动器操纵铰链点到舵面转轴铰链点的距离）误差会直接影响舵面的实际偏度，因此这部分的制造公差尤其要严格控制。

（4）选取合适的飞行员指令感知传感器和作动器位置反馈传感器。传感器的分辨率应该比系统精度至少高10倍，同时传感器的频率响应必须与所控制的系统的频率响应相适应，一般来说传感器的固有频率比系统频率至少要高10倍。此外，激励电压和频率直接影响传感器的最大输出、线性度和灵敏度等，而且对于小型传感器，当激励频率较小时，受温度影响也较大，因此，应适当地选择。一般选用电压为3～8 V（rms）、频率为2 000～3 000 Hz的电源作为激励电源。

（5）尽量减小温度和压力波动对阀芯零位的影响。合理设置作动器伺服阀的门限，一般在空载和液压系统正常供压情况下，门限值应不大于0.2%额定输入指令幅位。作动器的实际位置与理论位置（按额定指令电压与额定行程为线性关系）之间的误差，一般应不大于额定行程的2%～3%。

（6）针对控制器中伺服放大器的工作点漂移问题，可以从电路结构上采取措施，改进偏置电路，以减小由于温度变化而引起的工作点漂移，或者采用调制式直流放大器甚至直接采用交流放大器，但减小工作点漂移仅仅是选择放大器时所应该考虑的一个方面，实际设计过程中还要综合权衡。

（7）目前电传飞控系统均采用多余度的飞控计算机，这些计算机可以同步工作，也可以异步工作。同步计算机能够对余度传感器信号几乎同时进行采样、处理、均衡、表决，因此其优点是跟踪误差小、减少时间延迟。缺点是容易引入单点故障（同步功能失效）使所有计算机失效。异步计算机不要求对余度传感器信号同时进行采样，允许时间有偏差，最大可允许一个帧。其优点是抗外界干扰能力强，引入单点故障概率小、容错性能好。缺点是传感器数据采样的时间差大，最坏情况下，接近全计算帧，因而监控门限值必须足够大，这也意味着通道间的容差要相应加大，同时异步工作还会增加系统时间延迟。因此，采用计算机同步工作的方式还是异步工作的方式要综合考虑，提高系统精度只是其中一个方面。

（8）由于飞控系统利用大气数据、过载、飞机姿态、速率等信号作为输入进行控制律计算，因此为保证这些外部信号的准确性，相应的传感器的安装位置、安装方向要特别留意。例如，速率传感器应尽量安装在飞机重心处，传感器敏感轴与被测量轴的安装误差一般应≤15′；加速度传感器应尽量安装在飞机重心处或驾驶员座椅处，同样，传感器敏感轴与被测量轴的安装误差也应≤15′；对于迎角、侧滑角传感器，原则上应装在气流稳定的部位，必要时应通过风洞试验选择飞机上的安装位置，并通过风洞试验和飞行试验进行校准。

（9）重视机载设备的接地与信号的屏蔽，尽量减小外界干扰对系统精度的影响。

3 结束语

最后需要指出的是，对于开环飞行控制系统，飞行员利用飞控系统直接确定舵面的位置，因此人－舵的控制精度直接决定了飞行员对飞机的操纵精确度。对于闭环飞行控制系统，飞机的姿态或速率将作为反馈信号参与对飞机的控制，在这种情况下舵面的实际位置精度并不会对整个飞控系统的控制精度产生太大的影响，但考虑到目前民用电传飞机大多采用了模拟控制链作为备份，而模拟控制链基本上都为开环式控制，即飞行员直接操控舵面位置来控制飞机姿态，因此在进行飞控系统设计时，在充分权衡成本、周期、系统复杂程度的基础上还是应该最大限度保证飞机各个舵面的位置控制精度。

1 程不时等.《飞机设计手册》第5册民用飞机总体设计［M］.北京：航空工业出版社，2005

2 王永熙等.《飞机设计手册》第 12册飞行控制系统和液压系统设计［M］.北京：航空工业出版社，2003

3 杨逢瑜.电液伺服与电液比例控制技术［M］.北京：清华大学出版社，2009