商用客機(jī)偏航阻尼器控制律設(shè)計(jì)與仿真

岳峰　徐宏哲　張兆亮

摘 要：基于商用客機(jī)偏航阻尼器的特點(diǎn)，介紹了其基本功能，并設(shè)計(jì)了一種通用的偏航阻尼器控制律，同時(shí)給出了控制律架構(gòu)并提出了控制性能指標(biāo)。最后通過對控制律的頻域和時(shí)域進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證了控制律對性能的滿足，并表明此偏航阻尼器控制律可以有效地對飛機(jī)荷蘭滾特性進(jìn)行抑制并提供很小側(cè)滑的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎功能。

關(guān)鍵詞：偏航阻尼器；控制律；冗余度；頻域

引言

商用飛機(jī)飛行過程中會(huì)受到大氣擾動(dòng)，而這種擾動(dòng)必然會(huì)引起飛機(jī)橫向姿態(tài)的變化，飛機(jī)橫向會(huì)發(fā)生搖擺運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)是由多個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)耦合疊加而成。其中滾轉(zhuǎn)模態(tài)下飛機(jī)表現(xiàn)為迅速衰減的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一般總是穩(wěn)定的；螺旋運(yùn)動(dòng)模態(tài)下飛機(jī)表現(xiàn)為非常緩慢的螺旋下降運(yùn)動(dòng)，駕駛員可以通過操縱飛機(jī)避免進(jìn)入尾旋，而荷蘭滾模態(tài)下飛機(jī)表現(xiàn)為短周期的快速周期性搖擺運(yùn)動(dòng)，姿態(tài)參數(shù)變化較為劇烈。商用飛機(jī)通常采用改善氣動(dòng)布局和主舵面的結(jié)構(gòu)等手段使飛機(jī)橫向具有較小的阻尼對荷蘭滾進(jìn)行抑制，使得飛機(jī)在橫方向上的運(yùn)動(dòng)收斂[1]。

1 偏航阻尼器控制律設(shè)計(jì)

為了抑制飛機(jī)橫向擾動(dòng)情況下的荷蘭滾，偏航阻尼器通常使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)反饋的偏航角速率作為控制信號(hào)，根據(jù)偏航阻尼器的控制律計(jì)算出方向舵偏轉(zhuǎn)指令。由于方向舵偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的附加力矩與飛機(jī)偏航運(yùn)動(dòng)方向相反，阻止飛機(jī)偏航運(yùn)動(dòng)，從而抵消荷蘭滾模態(tài)下的偏航角速率，改善荷蘭滾阻尼比。另外，為了給飛機(jī)提供協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎功能，偏航阻尼器使用航電系統(tǒng)傳輸過來的橫滾角速率作為控制信號(hào)，通過相應(yīng)的控制律計(jì)算方向舵偏轉(zhuǎn)指令。為了進(jìn)一步提高協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎性能，有些飛機(jī)的偏航阻尼器引入橫向加速度作為控制信號(hào)，消除飛機(jī)轉(zhuǎn)彎過程中的側(cè)滑角[2]。

傳統(tǒng)的偏航阻尼器內(nèi)部通常采取簡單的查表法，將飛機(jī)狀態(tài)量作為控制輸入。這種控制模式在一定程度能夠抑制飛機(jī)荷蘭滾并改善協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎性能。然而，當(dāng)飛控計(jì)算機(jī)前向通路存在擾動(dòng)或誤輸入倍脈沖蹬舵信號(hào)時(shí)，初始時(shí)刻會(huì)使飛機(jī)產(chǎn)生較大的偏航角速率與橫滾角速率，荷蘭滾現(xiàn)象比較明顯，嚴(yán)重影響飛機(jī)的橫向飛行品質(zhì)，而且協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)滑角也變大。為了有效抑制荷蘭滾并進(jìn)一步提高協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎性能，文章提出的偏航阻尼器功能的計(jì)算由自己的計(jì)算模塊完成，通過改變方向舵偏度，以達(dá)到協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎和抑制荷蘭滾的作用。

此偏航阻尼器由偏航角速率反饋以及側(cè)向過載反饋構(gòu)成，以改善飛機(jī)的荷蘭滾運(yùn)動(dòng)阻尼，增強(qiáng)航向的穩(wěn)定性。并采用副翼指令方向舵交聯(lián)，其主要目的是當(dāng)副翼偏轉(zhuǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，偏轉(zhuǎn)方向舵提高飛機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎性能，減少轉(zhuǎn)彎過程中的側(cè)滑。

YD指令計(jì)算的簡化輸入為滾轉(zhuǎn)角、偏航角速率、指示空速和真空速共4個(gè)參數(shù)，并利用滾轉(zhuǎn)角速率、俯仰角、側(cè)向加速度、垂直速度、垂直加速度、方向舵偏度共6個(gè)參數(shù)完成指令修正和系統(tǒng)監(jiān)控功能，經(jīng)過簡化的偏航阻尼器控制律如下公式所示。

其中YDcommand是偏航阻尼器輸出的控制指令，YawRate是偏航角速率，F(xiàn)1（*）和F2（*）分別是對真空速（TAS）和指示空速（IAS）的線性插值函數(shù)。在真空速和指示空速一定的情況下，偏航阻尼器指令主要由滾轉(zhuǎn)角和偏航角速率決定。

同時(shí)為了避免轉(zhuǎn)彎過程中產(chǎn)生過大的側(cè)滑而引起令人不適的側(cè)向加速度，通常引入?yún)f(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制來保證在轉(zhuǎn)彎的過程中，側(cè)滑角較小，及滾轉(zhuǎn)與偏航運(yùn)動(dòng)兩者之間的耦合最小，同時(shí)還可以與縱向控制系統(tǒng)交聯(lián)，保證轉(zhuǎn)彎過程中不掉高度。

2 偏航阻尼器控制律仿真評估

為了評估此偏航阻尼器的控制性能和相應(yīng)特性，需要建立橫向運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制回路。該回路包括偏航阻尼器模型、方向舵控制前向通道模型、飛機(jī)橫向運(yùn)動(dòng)模型[3]。

在基于小擾動(dòng)激勵(lì)分析法的飛機(jī)模型中，包括飛機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)模型和飛機(jī)橫向運(yùn)動(dòng)模型。偏航阻尼器主要用于飛機(jī)橫向運(yùn)動(dòng)的控制，需要采用飛機(jī)橫向運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。由于飛機(jī)存在較大的橫向滾轉(zhuǎn)阻尼，滾轉(zhuǎn)角速率響應(yīng)較慢，影響協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎性能。為此增加橫滾控制回路，提高橫滾響應(yīng)性能。因此，閉環(huán)控制回路中飛機(jī)橫向運(yùn)動(dòng)模型包含了橫滾控制內(nèi)回路。

通過仿真偏航阻尼器控制律的時(shí)域特性，對此控制律的響應(yīng)性能進(jìn)行評估。

3 偏航阻尼器控制律時(shí)域仿真

偏航阻尼器的時(shí)域仿真包括側(cè)滑角擾動(dòng)特性仿真及協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎仿真，以驗(yàn)證控制律設(shè)計(jì)是否滿足時(shí)域設(shè)計(jì)要求，及是否能夠完成要求的功能。

此偏航阻尼器控制律可以很好地抑制飛機(jī)荷蘭滾。另外，飛機(jī)側(cè)滑角的最大峰峰值、振蕩次數(shù)、穩(wěn)定值也滿足控制性能要求，通過仿真結(jié)果表明此偏航阻尼器控制律滿足各項(xiàng)控制性能要求，同時(shí)也對飛機(jī)的橫向特性進(jìn)行了有效的改善。

4 結(jié)束語

文章基于對商用客機(jī)橫向操縱特性的分析，設(shè)計(jì)了可以抑制荷蘭滾和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎功能的偏航阻尼器控制律，并給出了基本的偏航阻尼器架構(gòu)和計(jì)算原理，最后通過對控制律的時(shí)域進(jìn)行仿真分析證明此控制律符合偏航阻尼器性能指標(biāo)，使用此控制律可以有效地對飛機(jī)荷蘭滾特性進(jìn)行抑制并提供很小側(cè)滑的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎功能。

參考文獻(xiàn)

[1]GIBSON， J.C. The Definition， Understanding and Design of Aircraft Handling Qualities[M].Delft University Press，1997

[2]吳文海.飛行綜合控制系統(tǒng)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2007.

[3]申安玉，申學(xué)仁，李云保，等.自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

作者簡介：岳峰（1982-），男，山西朔州人，碩士，工程師，研究方向：飛行導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)。