基于飞行品质模拟器的控制律开发技术

王跃萍，王敏文，戎晓娟

(飞行自动控制研究所,陕西西安 710065)

0 引言

飞行模拟试验使控制律设计者有机会与飞行员进行面对面的沟通与交流，深入地了解飞行过程中飞行员所采用各种操纵动作的目的、如何利用不同的操纵动作来评价飞行品质的优劣，从而为控制律设计工程师的设计工作提供具体指导，增强控制律设计的主动性和前瞻性。此外，通过模拟器中的飞行感受，飞行员对控制律提出种种改进意见和建议，对控制律设计者提出了更高的要求。

基于品模试验的迭代优化过程，是控制律设计逐步完善的过程，它不仅提高了控制律设计质量，也使控制律设计水平得以提升。

1 开发环境

基于飞行品质模拟器的飞行控制律开发与验证系统，通过使用新技术、标准软件接口、动态链接库以及数字可调电动人感系统，生成飞行视景，使飞行模拟器仿真技术支持“人在回路中”的控制律迭代优化，成功实现设计、仿真、评价、优化一体化。

整个开发环境的连接以网络为基础，组成如图1所示。由图可见，主控机通过I/O接口采集飞模座舱的飞行员操纵（驾驶杆、脚蹬）指令、油门信号和相关的模态控制信号，并将采集信号通过网络集线器传输给飞机动力学仿真机，动力学仿真机根据主控机的信号进行控制律以及飞机方程的解算，并将解算结果（飞机运动参数）通过网络传输给三通道视景、仪表仿真机和主控机，主控机再将飞机运动参数信息通过同轴网络传输给座舱控制仿真机，由它控制飞模座舱的运动。

图1 飞模系统环境示意图

2 控制律开发与验证

2.1 飞行品质评定

在飞行品质评定试验中，飞行员按照库伯-哈伯相关规定动作及其评分标准，依次进行评定、记录，并将评分结果与控制律设计者互动交流、讨论。设计者根据飞行员的评定意见迭代优化控制律构型、参数，直至飞行员满意。

根据飞行员的评定需要，可预先选择给定的飞行状态（H、M）或模拟机场地面起飞过程。给定飞行状态情况下，飞机的初始状态为特定高度、速度，通过规定的操纵动作进行品质评定，试验评定效率高；而模拟地面起飞则可以对滑跑、抬前轮等过程的控制律品质特性予以评估。

为充分揭示控制律设计与飞机飞行品质的相关性，根据众多试飞员的经验，选定了如下典型动作及试验任务，分别说明如图2。

2.1.1 推、拉俯仰角

要求：以一定的速度推或拉驾驶杆，使飞机尽快稳定在给定的俯仰角。

目的：检查飞机的纵向跟随响应及预测性。

图2 典型动作及试验任务

2.1.2 快速转弯进入

要求：飞机在平飞状态，尽可能快压杆，使飞机形成一定坡度，并尽快建立起给定过载。

目的：检查飞机的水平机动能力，特别是由平飞状态向盘旋状态转换时飞机操纵的协调性、水平方向建立过载的能力。

2.1.3 收敛转弯

要求：保持M数为常值，允许损失高度，先压杆使飞机形成一定坡度，然后回杆，以8～10秒均匀拉杆，或使α、ny达到给定值。

目的：检查α、ny随杆力（或杆位移）的变化情况，杆力（或杆位移）梯度、最大操纵力，也可检查α、ny的限制器工作情况。

2.1.4 BTBθ

要求：保持飞机俯仰姿态角不变，尽可能快地从左坡度转入到右坡度（两边值相等），或从右到左。

目的：检查横向操纵协调性，动态过程中纵、横向是否有耦合，或舵面是否有干扰。

2.1.5 BTBG

要求：压大坡度后，迅速拉杆，保持过载不变。目的：检查过载响应稳态保持特性。

2.1.6 协调侧滑

要求：蹬舵和压杆组合操作，保持航向不变，一个方向至少飞三个侧滑角。

目的：检查横航向静稳定性，横航向杆舵操纵的协调性。

2.2 控制律优化改进

在品模试验中，飞行员凭借丰富的飞行经验，提出了需求、改进意见和建议。经过多轮试验与交流，控制律设计者迭代优化控制律参数与结构，确保最终的飞行品质令飞行员满意。伴随着某型高级教练机控制律开发过程，进行了多轮飞行品质模拟试验。很多涉及操纵习惯、飞行品质、飞行安全的问题都是设计者与飞行员共同解决的，下面给出几个典型问题的分析。

2.2.1 个别状态出现蹬舵反倾斜现象

美国军用规范（MIL—F—1797）认为蹬舵反倾斜增加了驾驶员操纵负担。规范要求飞机对于等级1和等级2，单独利用方向舵脚蹬力应能产生坡度，且要求左脚蹬力产生左滚转，右脚蹬力产生右滚转。蹬舵反倾斜虽然不会严重危及飞机的飞行安全，但它对飞行员来说是难以接受的。

通过某型教练机的品模试验，飞行员在个别点感受到了蹬舵反倾。经分析，是由于控制律开发者在横航向设计中有一路增益配置不合适所造成的。这样，当蹬右舵时，方向舵右偏，机头右偏，产生负的侧滑角、正的侧向过载。正的侧向

过载带给副翼的正向偏转使飞机有左滚趋势

2.2.2 减轻飞行员负担

传统控制律通常在A种飞行阶段采用比例加积分构型而在C种飞行阶段采用切断积分器的比例式控制。这是因为C阶段若采用比例加积分构型，会导致精确着陆拉平比较困难，驾驶员必须推杆着陆。在着陆接地时，操纵不当容易引起接地弹跳趋势。但是，比例式控制律要求飞行员施加较大带杆力，增加飞行员的工作负荷，使他没有足够集中的精力完成其它任务。

通过反复分析探讨，综合论证了两种控制律构型的利弊，最终在起落阶段采纳了飞行员建议：一定攻角范围内，实施比例积分式控制。后续的品模试验表明：这种控制律构型既保证在规定攻角范围内的“中性速度稳定性”功能，又满足飞机下滑过程中要求的较小带杆量，减轻了飞行员的工作负荷，提高了C种飞行阶段的飞行品质。后续的飞行试验也更进一步的验证了这一点。

2.2.3 对飞行员的组合操纵增加保护实现无忧虑操纵

飞机本体纵向与横航向运动存在耦合，在大攻角及组合操纵时尤为显著，为了抑制大攻角及组合操纵时的非线性气动力导致的强耦合，确保飞行安全，通过品模试验研究，在控制律中设置了多项安全防范措施，并得到飞行员小组的认可。

例如：由于某型教练机方向舵效率比较高，在蹬舵压反杆（满杆）操纵时出现发散现象，为了有效地遏止这种情况，一方面在航向控制回路设置了随飞行状态调参的增益，适当减小方向舵的偏度；另一方面在横向回路随蹬舵量的增加降低指令增益，减小滚转速率指令，使飞行员能够无忧虑操纵。

2.2.4 其它方面的迭代优化

控制律中有很多参数、逻辑主要由操纵品质与飞行安全决定，这就更是需要通过品模试验中飞行员与设计方案的磨合、选优，下表给出几个典型事例。通过飞机操纵特性和试飞员经验，给出新的改平策略，见图3。

表1 飞行模拟试验迭代优化的相关内容

图3 通过人机闭环试验确定合适的杆指令梯度、自动改平逻辑

3 结论

控制律设计与优化是电传飞行控制系统研制关键内容之一，与飞机飞行品质和飞行安全密切相关。在基于飞行品质模拟器的飞行控制律设计开发过程中，通过将飞行员引入控制律设计开发团队，借助飞行员丰富的飞行经验，不断迭代优化控制律设计，获得满足需求的高性能控制律，使电传飞机达到满意的飞行品质要求。基于飞行品质模拟器的飞控系统控制律设计开发，缩短了电传系统研制周期，提高了全机飞行品质和飞机性能，使电传飞行控制系统设计水平得以提升，也实现了从过去“我们做什么用户用什么”到“用户需要什么我们做什么”理念的转变。

[1]GJB 185-186，有人驾驶飞机（固定翼）飞行品质[S].

[2]周自全，赵永杰，空中飞行模拟与电传飞机飞行试验[J]，飞行力学，2005(1):19-22.

[3]张勇，模拟器在飞行控制系统开发中的应用[J]，系统仿真学报，2011(23):142-147.