民用飞机横航向控制增稳系统设计方法研究综述

谭茹

【摘 要】本文分析了国内外民用飞机横航向控制增稳系统研究现状，并定义了横航向控制增稳系统架构组成及功能。按照美国军方现行的MIL-HDBK-1797飞行品质评定准则，确定了横航向控制增稳系统品质评定范围及指标，并进一步总结出横航向控制增稳系统的主流设计方法，为我国未来民用飞机横航向控制增稳系统设计开发及飞行品质的评定提供一定的参考。

【关键词】民用飞机；横航向；控制增稳；设计方法

0 引言

控制增稳和电传操纵技术在美国、西欧等航空发达国家发展已相当成熟。20世纪60年代的军用运输机C-5A、C141等均采用了控制增稳技术以改善飞机的飞行品质，并取得了成功。1986年投入运营的空客A320飞机，开启了商用客机采用电传操纵系统的新纪元。1995年，Boeing公司的B777飞机也采用了电传操纵和主动控制技术。目前最先进的民用客机A380和B787也沿用了电传操纵技术[1]。

国内对于控制增稳和电传技术的理论和方法研究开展已久，并在作战飞机上得到了应用。然而，国内的研究对象大多局限在战斗机等IV类飞机，运输类飞机在飞机质量、几何构型、机动性等方面与战斗机有很大区别。随着航空市场需求量的增加，国内亦开始了自主知识产权的运输机、民航客机的研制工作，而飞行控制系统也是与国外先进技术水平差距较大的领域之一。因此，系统地开展运输类飞机的控制增稳技术的理论和应用方法的研究具有实际的工程指导意义。

1 横航向控制增稳系统组成及功能

1.1 增稳系统

横航向通道通过引入不同的反馈信号来改善相应的稳定特性，包括动稳定性（阻尼）和静稳定性，飞机典型的横航向增稳回路结构示意图如图1所示。

图1 横航向增稳（SAS）示意图

从图1中可知，横航向增稳系统（SAS）由横向通道和航向通道共同构成，两个通道需要同时引进增稳信号才能保证其具有良好的模态特性。一般地，可在横向通道中引入滚转角速度p反馈来改善飞机的滚转模态特性，引入滚转角？准信号来改善螺旋模态特性。为了提高飞机在高空高速下的荷兰滚阻尼比，需要在方向舵通道中引入经过高通滤波器的偏航角速度r信号；为了提高飞机的振荡频率，可引入侧滑角？茁反馈。若侧滑角测量不准确时，可用侧向过载ny来代替侧滑角信号。

1.2 控制增稳系统

图2 横航向控制增稳（CSAS）示意图

控制增稳系统（CSAS）是由增稳系统（SAS）发展而来的，同时，还将飞行员操纵驾驶杆的指令信号变换为电信号，并经过滤波、整形处理后引入到增稳系统中，与飞机运动测量信号综合后输入到操纵面执行机构[2]。控制增稳系统的典型结构如上图2所示。

如圖2所示，控制增稳系统引入杆力前馈信号，补偿飞机静操纵性的下降，以使滚转操纵灵敏度满足相应飞行品质的要求，通过控制律结构和参数的调整，可以保证全包线内飞机具有同样好的飞行品质。

1.3 控制增稳系统功能

a.增稳作用

控制增稳系统中的增稳回路采用的反馈增益比单纯的增稳系统高。增稳反馈回路可用于改善飞机的滚转模态特性和高空高速时的荷兰滚阻尼和频率。机动指令（包括滚转角变化率、侧滑角等）反馈回路相当于处于最外环的反馈控制回路，同样会对飞机的稳定性带来影响。

b.指令飞机响应

通过控制增稳系统的前馈和反馈的设计，可以使得驾驶员的操纵指令不再与飞机的操纵面相对应，而是直接控制飞机的运动参数响应，即控制增稳系统将直接控制飞机的响应（滚转角速度、滚转角和侧滑角等）。

以副翼通道为例，前向通路通过一定的信号处理将驾驶员的杆力或杆位移信号转化为飞机的机动指令信号ua，同时机动指令的实际响应值■a通过外环机动指令反馈回路与飞机的指令信号相综合，得到指令误差信号：uae=ua-■a，误差信号经过校正补偿环节后输入到飞机的执行机构，使舵面向着消除信号误差的方向偏转，最终使飞机的实际响应跟踪指令信号。机动指令信号的选取必须要符合飞机的操纵响应特性。例如，飞机的副翼操纵主要是产生滚转角速度响应，在巡航飞行阶段，为了使飞机的副翼操纵响应与未加控制增稳前的飞机响应特性相近，这时选取飞机的滚转角速度作为副翼通道的机动指令是驾驶员能够接受的。

c.改善静操纵性

只加入增稳系统往往会降低飞机的静操纵性，此时需要引入由杆力前馈信号构成的前向通道，由于前向通道驾驶杆输入信号到副翼偏角的稳态增益KF与机械通道驾驶杆输入到升降舵偏角传动比（增益）极性相同，且KF值可以通过指令梯度Kc调整，所以驾驶杆输入前馈增加了驾驶杆输入到升降舵偏角的稳态增益，即增加了操纵量以补偿由于增稳反馈导致的闭环增益下降，从而改善了飞机的静操纵性。

d.横航向解耦

由于飞机横向和航向运动耦合严重，驾驶员操纵负荷较重，例如，在转弯机动中出现不协调运动，容易产生较大的侧滑角，导致阻力的增加和导航的困难，因此飞机横航向控制增稳系统通常需要进行横航向解耦设计，横航向解耦通常需要达到的目标有，一是尽量消除在滚转操纵中出现侧滑响应，设计方法通常是增加副翼—方向舵交联模块；二是偏航操纵时具有正常的侧滑角响应，由侧滑角引起的滚转趋势可以通过副翼调节自动抵消，实现的方法是在副翼通道引入滚转角速度信号。

2 横航向飞行品质评定范围

对于横航向的飞行品质，根据民用飞机对象的特点，对其常见的飞行品质进行评定，主要包括[3]：

a.模态评定

主要包括了滚转模态、荷兰滚模态和螺旋模态。

b.操纵效能评定

（1）滚转轴操纵效能评定

MIL-HDBK-1797规定了诸多关于滚转操纵特性方面的要求，这里仅就其中常用的要求做出相应的评定。即采用给定时间内滚转角变化来描述飞机的滚转操纵性能，一般通过计算飞机在满驾驶杆（盘）力下达到30°滚转角的变化时间来评定。

（2）定常侧风着陆下的偏航轴操纵效能

航向操纵特性应使驾驶员能够平衡偏航力矩和控制偏航与侧滑。航向操纵脚蹬力的灵敏度应当足够的高，使航向操纵力的要求得以满足，并且在不用非常大的脚蹬力时便可以获得满意的协调性。同时，操纵的灵敏度也不应过高，以免偶然不适当的操纵输入就会严重地降低飞机的飞行品质等级[4]。

3 横航向控制增稳系统设计方法

在控制系统设计方面，随着飞机结构变的复杂、新的控制舵面和矢量推力等技术的应用，利用现代控制理论方法设计飞行控制系统的多变量控制理论得到发展与应用。目前，经过分析和设计验证表明，适于飞控系统的现代设计方法主要有以下几种[5]：

a.最优二次型设计方法

最优二次型设计方法包括输出反馈的最优二次型、显模型跟踪及隐模型跟踪最优二次型等，是用于飞行控制系统设计较早、较多且较成熟的一种方法。采用最优控制技术设计的优点主要有（1）设计是基于系统的状态变量模型，状态变量模型比传递函数的描述包括更多的系统信息，从而容易得到完善的控制系统性能；（2）设计时采用一个数学上准确的性能指标来描述系统的性能规范，从这个性能指标出发，便可求得系统的控制增益矩阵，这相当于同时闭合了多个控制回路并使各控制回路的性能自动地协调。

b.LQG/LTR方法

最优二次高斯/回路传递函数（LQG/LTR）方法近年在学术界及工业界均很流行。线性二次高斯（LQG）最优控制方法是一种基于状态观测器的线性最优控制方法，能处理有附加噪声影响或状态不能直接测量的线性系统控制问题，但状态观测器的引入将使系统的稳定裕度减小。由此提出了一种LQG的回路传输恢复技术（LQG/LTR），它综合了线性二次型调节器和线性时不变Kalman滤波器的鲁棒特性，能在系统的输出端得到所需要的回路传输恢复增益。

c.非线性系统动态逆设计方法

近年来，国际上围绕第四代歼击机提出了“超机动性”，即“过失速机动”的新概念。这种机动需要突破失速禁區，涉及大范围非线性、非定常气动力及强耦合问题，飞机的运动方程已完全是多自由度非线性方程，要求飞机必须采用非线性模型进行控制律的有效设计。在众多非线性设计方法中，利用动态逆实现反馈线性化，是一种正在兴起的方法。

d.特征结构配置方法

线性系统的响应不仅与系统的特征值有关，而且与系统的特征向量有关，因而线性系统的特征结构（包括特征值和特征向量）配置设计比单纯的极点配置设计更能把握系统的性能。特征结构配置方法的研究始于20世纪60年代，它是一种基于时间域的多变量系统设计方法，提供了模态分解手段，所以在解耦控制中非常有用。特征结构配置设计方法是设计人员根据飞机飞行品质要求直接选择适当的特征值和特征向量以达到期望的性能。在飞机的特征结构配置设计方法中，特征值用于使闭环系统的稳定，特征向量用于动态响应的解耦，两者一起保证系统的动态性能。

4 小结

本文以民用飞机横航向控制增稳系统为研究对象，分析了控制增稳系统研究现状、架构组成，重点解读了控制增稳系统功能及设计方法，为民用飞机横航向控制增稳系统设计及飞行品质评估提供参考。

【参考文献】

[1]Mitchell，D.G，et al The evolution，revolution，and challenges of handling qualities[R].AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit 11-14 August 2003，Austin，Texas，AIAA Paper 2003-5465，2003.

[2]高金源，等.飞机飞行品质[M].北京：国防工业出版社，2003（1）.

[3]欧阳绍修，刘振钦.大型运输机横航向飞行品质要求初探[J].飞行力学，2007年3月，VOL25，NO1，pp12-14.

[4]MIL-HDBK-1797，Military Handbook，Flying Qualities of Piloted Aircraft[S]. December 1997.

[5]ROBERT C.NELSON，Fight Stability and Automatic Control[M].北京：国防工业出版社，2008（1）.

[责任编辑：田吉捷]