民用飞机滚转角限制器设计与分析

2016-08-29磊上海飞机设计研究院陈磊硕士研究生上海飞机设计研究院飞机设计师研究方向为工程模拟器和飞行仿真技术

中国科技信息 2016年12期

关键词：限制器迎角角速度

陈磊上海飞机设计研究院陈磊，男，硕士研究生，上海飞机设计研究院飞机设计师，研究方向为工程模拟器和飞行仿真技术。

民用飞机滚转角限制器设计与分析

陈磊
上海飞机设计研究院
陈磊，男，硕士研究生，上海飞机设计研究院飞机设计师，研究方向为工程模拟器和飞行仿真技术。

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本文对飞机边界控制中的滚转角限制技术进行了分析，给出了一种滚转角限制器设计方案，对设计的滚转角限制器的工作原理进行了描述；然后基于一种典型民用飞机进行了滚转角限制器设计，并使用Matlab/ Simulink软件建立了滚转角限制器仿真模型；最后对飞机滚转角限制器模型进行了仿真验证，结果表明设计的滚转角限制器方案是可行的，可应用于工程实际。

目前，在飞机上可实现的主动控制技术包括放宽静稳定性、边界控制、阵风载荷减缓、机动载荷减缓等。其中边界控制指的是通过在电传飞行控制系统中加入边界保护控制律，使飞机的某些重要飞机参数（包括迎角、滚转角、空速等）能够自动地被限制在规定的边界范围内，增强了飞机大迎角和大过载时操纵稳定性，减轻了驾驶员的心理和体力负担，实现了飞行员期望的“无忧虑”操纵，大大减小因驾驶员操作处置失误引起的飞行事故，保证了飞行员与飞机的安全。

当前飞机上使用比较广泛的边界控制技术主要有迎角限制、过载限制、俯仰角限制、速度限制、滚转角限制等，本文主要对滚转角限制技术进行了分析，给出了一种滚转角限制设计方案，然后基于一种典型飞机进行了滚转角限制器控制律设计，最后对设计的滚转角限制器控制律进行了仿真验证。

滚转角限制方案

民用飞机横向机动幅值较小，从安全性和乘客舒适性角度出发，必须对滚转角做出限制，因此需要设计滚转角保护限制器，当滚转角达到较大值时，启动保护模块限制滚转角增长，以实现驾驶员无忧飞行。正常情况下，侧向运动的滚转操纵使用侧杆或驾驶杆来完成，其偏度被处理成滚转角速度引导信号。

基于一种典型飞机对滚转角限制器进行设计，最大允许滚转角速度为20o/s，对应驾驶杆满行程。滚转角限制器启动值为滚转幅度25°，最大允许滚转角为35°。根据上述思路，滚转角限制工作原理下：

当滚转角小于25°时，保持控制增稳模态，驾驶杆输入对应滚转角速度指令；

当滚转角大于25°时，具有稳定的螺旋模态，提供最大滚转角限制功能，最大可达滚转角对应于驾驶杆满行程操纵。当驾驶杆回到中立位置后，滚转角回复到25°以下，起到滚转角保护功能。

设计的滚转角保护限制器结构见图1所示。根据设计目标，当倾斜角大于启动值后，自动削弱可得滚转角速度指令，直到达到最大允许滚转角时，将滚转角速度指令置为零。

滚转角限制器仿真模型

横侧向控制律结构

图1 滚转角限制器结构图

滚转角限制器控制以横侧向控制增稳控制律为内环，在没有触发滚转角限制功能时，飞机执行正常的横侧向增稳控制律功能，满足滚转角限制条件时，将触发滚转角限制功能。

图2 横侧向控制增稳控制系统结构图

图3 设计的滚转角限制器仿真模型

图4 滚转角响应曲线

横侧向控制增稳系统设计的目的是改善荷兰滚模态特性，减小阶跃副翼引起的侧滑幅值。一种典型飞机横侧向控制增稳系统结构见图2所示。

在横侧向控制增稳系统中，滚转速率反馈可以有效地减小滚转时间常数和滚转-螺旋耦合。

在侧向通道中，经过高通滤波的偏航速率反馈可增加荷兰滚阻尼，高通滤波器用以消除在滚转和协调转弯中偏航速率引起的常值侧滑；经过滞后超前网络的侧向过载反馈可以增加航向静稳定性，超前的作用补偿了由于高通滤波器时间常数过小导致的荷兰滚频率和阻尼的降低；副翼-方向舵交联信号用以克服副翼偏航力矩，降低副翼操纵时的滚转速率和侧滑反应中的荷兰滚模态分量，减小滚转-侧滑耦合，改善滚转操纵特性。

侧向通道中的滚转速率交联包括经一阶网络校正的滚转速率交联信号和滚转速率与迎角的乘积信号。前者可以有效地减小螺旋模态和稳态的侧滑角，消除侧滑慢漂现象；后者可有效地补偿随迎角增加而减小的荷兰滚阻尼，抵消在滚转操纵中由偏航速率反馈引起的不利偏航力矩，减小滚转速率响应中的荷兰滚分量和侧滑响应幅值。

滚转角限制器仿真模型

根据图1设计的滚转角限制器，使用Matlab软件建立滚转角限制器仿真模型，见图3所示。

其中，仿真模型中Kwx、Knz、Kr、Kgama、Kinput为在不同平衡点处需要调节的参数，本文采用直接搜索算法来确定上述参数。

仿真结果及分析

基于一种典型飞机，在高空巡航构型状态下（高度为11000m，马赫数为0.64），驾驶杆盘施加入最大滚转角速率20o/s的指令，对设计的滚转角限制器进行数字仿真验证。

滚转角限制器调节参数为：Kwx = 1.8676，Knz= 5.6047，Kr = -0.0246，Kgama = 2.0775，Kinput = 10.2967。

滚转角响应曲线见图4所示。

由滚转角响应曲线可知，驾驶杆盘施加入最大滚转角速率20o/s的指令后，滚转角迅速增加，滚转角达到25o时，驾驶杆盘指令滚转角，启动滚转角限制功能，削弱可得滚转角速度指令，滚转角达到最大允许滚转角35o时，在滚转角限制功能的作用，滚转角保持不变，直到10s后撤去驾驶杆盘输入指令，滚转角回落到25o左右。