民用飞机横航向增稳系统设计研究

陈磊

摘 要：首先论述了增稳系统在大型客机高空、高速运行时的作用；然后介绍了三种横航向增稳控制系统方案，并分别对三种增稳方案的特点进行了描述，提出了在副翼通道中引入滚转角速率、侧滑角、侧向过载反馈以及在方向舵通道中引入偏航角速率、侧向过载、侧滑角反馈的横航向综合增稳控制方案；最后以B707为例设计了横航向增稳控制律，并进行了数字仿真和性能分析。该文对于大型客机型号研制中开展飞行控制系统的控制律设计具有一定的工程借鉴。

关键词：增稳系统 控制律 阻尼 荷兰滚

中图分类号：V21 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0007-03

Abstract：The Effect of Stability Augmentation System was firstly discussed.Secondly three kinds of the structure of the Lateral-directional Stability Augmentation Control System design schemes were introduced，and give the comparison of the advantages and disadvantages of these design schemes，and the Comprehensive Lateral-directional Stability Augmentation Control System design scheme of the feedback of The feedback rate of roll signal，sideslip angle signal，lateral acceleration signal？to the Aileron and The feedback of yaw rate signal，lateral acceleration signal，sideslip angle signal was mentioned，finally the B707 Aircraft Lateral-directional stability augmentation control law was designed，and the digital simulation and performance analysis was carried out.This paper had a certain Engineering reference value to the design of civil aircraft flight control law.

Key words：Stability Augmentation；Control Law；Dutch Roll

大型客机在高空、高速飞行时，在受到阵风或紊流的扰动时，由于飞机自身稳定性不足，飞机往往会出现低阻尼比的俯仰振荡和横航向振荡，驾驶员对这种短周期的振荡模态来不及反应，极大的影响飞行员的操纵和乘客的乘坐品质，严重情况会造成飞机的事故[1]。为了保证飞机的飞行安全，满足要求的飞行品质，通常需要必须要在飞的三个轴向操纵系统中加入增稳系统，以便增大飞机振荡模态的阻尼比，增强飞机的稳定性和改善飞机的操纵性。

增稳系统主要分为纵向以及横航向两种增稳控制构型，纵向增稳控制律设计的主要目的是改善飞机短周期运动特性，横航向增稳控制律设计的主要目的是改善飞机的荷兰滚运动特性。由于飞机横航向运动的交连耦合的影响造成了横航向运动的复杂性，因此横航向增稳系统的设计比纵向操稳系统难。该文对某型飞机的横航向增稳系统进行了设计，对并其仿真结果进行了分析。

向增稳控制系统方案

控制增稳的控制律是电传操纵系统最基本的控制模态，是电传操纵系统实施对飞机的控制以及实现各种主动控制功能的基础。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[2]。

（1）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。

（2）偏航角操纵具备常规的侧滑响应类型，而由侧滑引起的滚转趋势可以通过副翼调节自动防御。

（3）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。

（4）滚转模态半衰期足够小。

一般具有以下3种横航向增稳控制系统方案[3]。

（1）偏航通道中引入偏航角速率反馈。

（2）滚转通道中引入滚转角速率反馈。

（3）偏航通道和滚转通道中引入侧滑角或侧向过载反馈。

飞机在进行稳态协调转弯时，会产生附加的偏航角速率。为了解决这个问题，通常在偏航角速率反馈通道中加入洗出网络。

1.2 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。

1.3 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。

由图1看出，忽略放大器、伺服作动器的动态特性，横航向增稳系统的控制律为：

图1所示的横侧增稳系统结构原理图具有以下特点。

（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 横航向增稳控制系统设计与分析

2.1 横航向自然稳定性

以波音B707飞机为研究对象，巡航状态（飞行速度240m/s、0.801马赫、10000m高度）下横航向线性状态方程为：

由2.1节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[4]、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。

参考文献

[1] 申安玉.某机横侧向增稳系统控制律的设计[J].飞行力学，1996，14（1）：90-96.

[2] 张曙光，陆艳辉，巩磊，等.250座级翼身融合无尾布局客机操稳特性设计研究[J].航空学报，2011，32（10）：1761-1769.

[3] 闫溟，白鹏，石永彬，等.飞翼布局横航向控制增稳方法研究[C].北京力学会第17届学术年会论文集，2011：115-116.

[4] 王一超，江驹，王新华，等.放宽静稳定性大型客机的LQR控制律设计[J].飞行力学，2012，30（6）：519-522.