电传飞行控制系统法向过载传感器补偿方法研究

肖成方，陈林，李玉飞，涂慧玲，巩立艳

（航空工业洪都，江西 南昌 330024)

电传飞行控制系统法向过载传感器补偿方法研究

肖成方，陈林，李玉飞，涂慧玲，巩立艳

（航空工业洪都，江西 南昌 330024)

现代战机普遍采用数字电传飞行控制系统进行增稳和控制。法向过载是飞控系统的重要反馈。受重力影响，法向过载传感器的测量值会随飞机姿态变化，给飞机的配平和操纵带来困难。本文以某型电传飞机为例，利用飞机姿态信息对法向过载传感器测量值进行补偿，并通过仿真验证其效果。

电传飞行控制系统；法向过载传感器；姿态；补偿

0 引言

现代高性能战机普遍采用数字电传飞行控制系统进行增稳和控制。法向过载传感器作为飞控系统的主要传感器之一，为系统提供法向过载反馈，以实现控制增稳、边界限制等功能。

法向过载传感器在工作时不仅能测出由飞机运动产生的法向过载，还可测出重力加速度在传感器测量轴上的分量，且该分量会随飞机姿态而变化。这在飞行过程中，特别是在俯仰角较大的情况下，会给飞机的配平和操纵带来问题。

1 原理分析

飞机重心处的法向过载为：

若法向过载传感器的敏感轴在机体对称面内，与机体yt轴平行，则传感器处的法向过载为：

式中：ωy为偏航角速率；为俯仰角加速度；lxs为传感器位置在机体坐标系xt轴上的坐标；lys为传感器位置在机体坐标系yt轴上的坐标。

从公式可以看出，重心处的法向过载Nyg与飞机运动状态和姿态有关，法向过载传感器的测量值Nys还与传感器安装位置有关。当飞机处于定常直线飞行状态时，所以，此时法向过载传感器的测量值Nys=Nyg=cosϑcosγ。

电传飞行控制系统的纵向控制律通常采用指令法向过载的控制方式，典型纵向控制律的结构简图如图1所示。

图1中：Dz为纵向杆位移；Dzcmd为纵向杆指令；Nys为法向过载传感器的反馈信号；Alpha为迎角传感器的反馈信号；Wz为俯仰角速率传感器的反馈信号；Dertz为平尾偏度。

在纵向控制律中通常会将法向过载传感器的测量值减去1，即令图1中的Ny0=1，将Nys-Ny0的值作为反馈信号，以消除重力对法向过载传感器测量的影响。在理想情况下，若飞行员不进行操纵，纵向杆指令Dzcmd=0，此时若Nys-Ny0=Dzcmd=0，反馈与指令相等，飞机纵向就能保持定常飞行。但从公式可以看出，当飞机处于定常直线飞行状态时，法向过载传感器的测量值Nys=Nyg=cosϑcosγ，只要飞机的俯仰角或滚转角不为0°，就会出现Nys-Ny0≠Dzcmd的情况，反馈与指令不相等，飞机纵向就会出现非指令性运动，需要飞行员动杆操纵才能维持定常飞行状态，无法自动配平。

2 解决方法

由于飞机进行定常直线飞行时，法向过载传感器的测量值Nys=cosϑcosγ，所以最好的方法是根据飞机姿态进行补偿，令Ny0=cosϑcosγ，则无论飞机是在平飞、爬升还是下降，都能实现Nys-Ny0=Dzcmd= 0，飞机就可以自动配平。

选取某型电传飞机进行六自由度仿真，初始状态为在高度5km、速度0.6M水平直线飞行，分别通过拉杆和推杆操纵使飞机进入爬升和俯冲状态，以检查飞控系统在不同俯仰姿态下的自动配平效果。

从图2和图3可以看出，如果不根据飞机姿态对法向过载传感器进行补偿，当飞机进入爬升或俯冲状态后，即使飞行员不进行操纵，飞机也会自动抬头，在根据姿态进行补偿后，飞机在进行爬升或俯冲时俯仰姿态能保持稳定。

选取与上文相同的飞机和初始状态进行六自由度仿真，分别进行拉杆和压杆操纵，对比姿态补偿一直接通和在动杆时切断姿态补偿的效果。

从图4可以看出，在纵向机动中，当俯仰角γ≠0°时，Ny0=cosϑcosγ＜1，如果姿态补偿一直接通，反馈信号Nys-Ny0＞Nys-1，会使飞机达到的法向过载减小，影响飞机机动性。从图5可以看出，在横向机动中，如果姿态补偿一直接通，会使飞机俯仰角、迎角、航迹角、俯仰角速率和法向过载的变化量更大，因此，应在动杆操纵时切断姿态补偿。

选取与上文相同的飞机和初始状态进行六自由度仿真，通过压杆操纵使飞机进入带滚转角的倾斜状态，以对比飞控系统在根据俯仰角和滚转角进行补偿（Ny0=cosϑcosγ）和仅根据俯仰角进行补偿（Ny0=cosϑ）的效果。

从图6可以看出，在横向机动中，当滚转角γ≠0°时，cosγ＜1，cosϑcosγ＜cosϑ，如果仅根据俯仰角进行补偿，反馈信号Nys-cosϑ＜Nys-cosϑcosγ，会使平尾后缘上偏的角度更大，滚转中飞机俯仰角、迎角、航迹角和法向过载的变化量更小，因此应该令Ny0= cosϑ，仅根据俯仰角进行补偿。

3 工程实现需考虑的问题

电传飞行控制系统在飞控计算机、传感器和电源等部分都会采用多余度配置和余度管理技术以达到足够高的可靠性，而飞机姿态信号一般来源于航电系统中的惯性导航系统，可靠性较低，如果将姿态信号直接接入飞控系统，会降低整个飞控系统的可靠性，因此，如果要使用姿态信号对法向过载传感器进行补偿，航电系统应与飞控系统进行综合设计，采用余度管理等方法使其具有与飞控系统同样高的可靠性，或在飞控系统中自带高可靠性的姿态传感器。

另一个问题是通过何种方法来判断飞行员是否动杆，如果飞控系统接收的杆信号是杆力，可直接通过杆力来判断，如果接收的杆信号是杆位移，则驾驶杆在松杆后应能回到固定的中立位置，通过杆位移来进行判断，如果驾驶杆不能在松杆后回到固定的中立位置，例如对于采用机械配平系统的驾驶杆，就需要加装额外的力传感器，通过杆力来判断。

4 结语

根据飞机姿态对法向过载传感器的测量值进行补偿，可以有效实现不同状态下的自动配平，并且能大幅减少飞行中所需的配平操作，减轻飞行员操纵负担，目前该方法已在世界很多先进战机上采用。

[1]顾诵芬,等.飞机飞行品质计算手册.中华人民共和国航空工业部,1983.

[2]肖业伦.飞行器运动方程.北京:北京航空学院, 1987,1.

>>>作者简介

肖成方，男，1983年出生，2007年毕业于西北工业大学，工程师，主要研究领域为电传飞行控制系统，飞行控制律设计。

Research on the Compensation Method of Normal Accelerometers for Fly-by-wire Flight Control Systems

Xiao Chengfang，Chen Lin，Li Yufei，Tu Huiling，Gong Liyan
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

Digital fly-by-wire flight control system is widely used on modern fighters for stability augmentation and control.Normal G-load is an important feedback of the flight control system.Affected by gravity,the measured values of normal accelerometer will change with aircraft attitude,which will bring difficulties to aircraft trimming and handling.In this paper we chose a fly-by-wire aircraft as an example,compensate the measured values of normal accelerometers by using aircraft attitude information,and verify its effect via simulation.

Fly-by-wire flight control system;Normal accelerometer;Attitude;Compensation

2017-03-11）