民用飞机电传操纵系统设计浅析
摘要:电传操纵系统是从上世纪80年代开始在民用飞机上逐步推广使用的飞行操纵系统,它取代了以钢索传动为特征的机械操纵系统,重量更轻,安全性更高。阐述了电传操纵系统的优缺点,并对飞行操纵系统设计的关键问题进行分析,给出了电传操纵系统的控制律设计和余度设计的基本要求。希望为民用飞机电传操纵系统的设计和研发提供参考与借鉴。
关键词:民用飞机 电传操纵系统
飞机操纵系统是驾驶员用来操纵飞机上各操纵面实现飞机姿态、航迹控制的系统。早期,飞机的主操纵系统只是简单的机械操纵系统。驾驶员移动驾驶杆或脚蹬,通过由连杆、摇臂、滑轮和钢索等组成的机械传动机构操纵舵面。随着飞机尺寸和重量的增加,飞行速度的提高,使得飞机舵面上产生了较大的铰链力矩,驾驶员难以用简单的机械操纵系统操纵飞机。为了克服舵面铰链力矩,20世纪40年代末开始出现了液压助力器,实现了飞机的助力操纵[1]。
然而,到了20世纪60年代,飞机性能要求越来越高,以机械操纵为主体的控制增稳系统已无法满足要求,并且由于机械系统中存在着摩擦、间隙和弹性变形,精微操纵信号传递问题始终难以解决。飞机设计者们便提出了一种全新的设计方案——电传操纵系统。
1 电传操纵系统简介 电传操纵系统是取代机械操纵系统的电飞行控制系统。它实质上是一种全权限的控制增稳系统。电传操纵系统是将驾驶员发出的操纵指令转换成电信号,并与飞机运动传感器反馈回来的信号综合,经过计算机处理,把计算结果通过电缆传输到自主式舵机的一种飞行控制系统[2]。电传操纵系统是完全取代机械操纵系统对飞机实施全时间、全权限操纵的控制增稳系统。
电传操纵系统主要由指令装置、传感器、飞控计算机和作动器等组成,并且一般电传操纵系统都采用余度备份系统,即为完成规定功能而设置的重复架构、备件等[3]。
2 电传操纵系统的优缺点
2.1 电传操纵系统主要的优点
(1)实现“无忧虑操纵”。通过迎角控制和侧滑角抑制可以实现失速和分离的自动保护。通过自动限制法向加速度和滚转角速度可以避免机体应力过大。
(2)易于改善飞机的飞行品质,实现整个飞行包线内操纵品质的优化。在飞行包线内飞机飞行速度和高度变化范围很大,为了使飞机在不同高度、不同速度下飞行性能都能达到最佳的需要,电传操纵系统可以很容易实现控制律参数按M数、高度及速压变化自动调节。
(3)减轻飞机重量,推重比增大,飞机的飞行速度和高度范围扩大,相应的使用包线扩大。
(4)操纵中没有因摩擦引起的滞后,可减少维修量,而且还可以通过放宽静稳定性、阵风减载、机动载荷控制、机翼和机身结构振型的阻尼及颤振抑制等主动控制技术提高飞机的性能。
(5)更容易对系统所采用的前馈、反馈及补偿滤波特性进行修改和调整,以满足宽范围的飞行任务和飞行品质的要求,即实现多任务、多模态的可调整的控制功能。
2.2 电传操纵系统主要的缺点
(1)电传操纵系统是一种高性能、高增益系统,因而由于种种原因容易产生飞行员诱发振荡。
(2)设计成本较高,软件系统复杂,维护难度大。
(3)电传操纵系统包括的电子设备多,系统易受雷击、电磁脉冲的干扰。
3 电传操纵系统的几个关键问题
电传操纵系统直接影响到飞行任务的完成和飞行安全,在电传操纵系统设计时,有许多问题需要特别的重视,主要有:
(1)进场着陆控制律的设计。进场着陆控制律对于保证飞机安全着陆是极其关键的。影响进场着陆的因素很多,例如时间延迟、杆力与杆位移特性、短周期阻尼比、闭环频率响应特性和轨迹响应特性等。通过对控制律的精心设计,可以有效地改善进场着陆的飞行品质,从而可确保进场着陆的飞行安全。
(2)气动特性的准确性。飞控系统是根据飞机的气动特性设计的,所以它直接影响到飞机的飞行品质与安全。例如操纵面效率就正比于系统的稳定裕度,如果由于风洞实验或静弹性误差而使稳定裕度接近于零,则飞机将出现灾难性事故。
(3)时间延迟。这是电传操纵系统所带来的唯一缺陷。对于传统飞机,如果忽略操纵杆系的惯性、间隙以及弹性,也不计助力器的动态特性,则可以认为从驾驶杆至舵面是刚性连接,所以它的操纵时延很小。对于电传操纵系统,从驾驶杆至舵面,中间有许多一阶或二阶环节,最终形成一个高阶系统并引起较大的时间延迟。这是驾驶员诱发振荡的一个重要因素之一,在设计中必须精心考虑每一环节,以减小时延。
(4)起动—伺服—弹性稳定性。这是一种新形式的颤振。由于飞机结构在非定常气动载荷作用下形成的结构振动,经传感器传递进入飞控系统,放大后使舵面跟随振动,可能加剧结构振动,最终导致此闭合回路的不稳定。
(5)传感器精度。飞控系统要使用各种传感器,如迎角、速率陀螺、过载、大气数据和驾驶员指令等传感器。它们或作为指令信号与反馈信号参与控制律计算,或作为控制增益的调整与控制模态开关信号,因此必须要有很高的测量精度才能达到满意的控制特性,并确保飞行安全。
(6)余度及故障检测、监控设计。飞控系统是由计算机、传感器、伺服作动器与驾驶员控制装置等主要部件所组成。为了达到规定的可靠性要求,通常都设计成四余度或三余度。各通道信号必须经过表决并取相同值送入控制律进行计算,还要不断地对各通道进行监控、报警、故障隔离与故障重构。此外,为了不使飞机带故障起飞,在起飞前要能对飞控系统进行自检测。所有这些都涉及到许多复杂的逻辑运算、判断和正确设置监控门限等问题,任何小的逻辑错误就可能导致灾难性事故。
(7)软件可靠性。要有一套严格的软件研制流程和管理方法,完成后还要进行严格的测试与验证,以确保该软件可靠。否则,后果是严重的。
(8)四防设计。四防即为防电源中断、防丢失液压源、防雷电和防电磁干扰。电源系统和液压系统应采用余度配置。雷电引起的峰值电流会在多重电的系统线路间产生很高的感应电压,因此防雷电和防电磁干扰是必须考虑的重要问题。
4 电传操纵系统控制律设计 控制律设计是确定飞机操纵面的规律运动,即确定在不同的飞行状态下,飞机操纵舵面受哪些变量的控制以及各自控制的程度。设计满足整个飞行包线的控制律,需要在飞行包线内选择不同的工作点网格,并按此进行设计。通过增益调节计划将基于局部参数的设计综合起来,就形成飞机的飞行控制律。初始的控制律增益一般是使用根轨迹、特征结构配置和优化控制等方法设计的。然后对设计进行评估,并利用时域和频域方法对设计进行调整,以保证满意的操纵品质和设计的鲁棒特性。
设计飞行控制律所需要的信息一般来自大气数据系统。大气数据系统的设计要能提供完整的信息,如可以提供三余度的迎角和侧滑角信息以及四余度的空速信息等。
飞控系统控制律的设计要使飞机具有良好的操纵品质,使得飞行员的工作负荷较小,对飞行员诱导振荡具有较高的抵抗能力。为了获得满意的设计,需要确定合适的设计标准。首先,进行合理的反馈设计,以获得良好的抗干扰能力;其次,提供希望的操纵特性。飞行员诱发振荡是指飞行员的操纵指令无意识地与飞机的响应正好反相。在正式飞行以前就应该对飞机的操纵品质进行验证,主要通过充分的理论分析、离线模拟、飞行员在回路中的地面模拟或飞行模拟来实现。
飞控系统的设计要保证必要的可靠性和完整性,系统要具有多路结构、相关的余度安排,以及综合的机内自检测能力。大型民用客机其飞行控制律一般是通过数字计算机实现的,这种方法可以提供最大的灵活性,可以实现很复杂的功能。对于数字化的控制律,为了使其能够反映系统的特性,避免在地面和飞行试验中出现没有预料到的结果,在系统设计和模拟中所使用的模型必须考虑数字处理的影响。为了去掉信号中的高频干扰成分,需要使用滤波器限制输入信号的带宽。
5 电传操纵系统的余度设计
应用余度技术是提高系统任务可靠性、安全可靠性和容错能力的有效手段[5]。飞控系统余度技术的研究主要在于飞控系统各个环节的余度设计上,如主飞控计算机的余度管理及冲突表决机制、液压和电源系统的余度设计、飞控传感器的余度设计、软硬件的非相似余度,在作动器故障和舵面故障情况下利用飞机的空气动力余度进行重构等。
在飞控系统设计过程中,应综合考虑飞控计算机、总线、作动器电子单元、作动器、液压源、电源、空气动力、飞控系统组合余度设计等飞控系统余度配置的关键环节,明确飞控系统余度设计各个环节的相互影响关系,从而达到飞机的高安全性和高可靠性的设计目标。
6 结语
电传操纵系统是民用飞机发展的重要里程碑,它可减轻飞行员的工作负担,提高乘坐的舒适度,优化飞机的设计。通过对电传操纵系统的优缺点、电传操纵系统设计的关键问题以及控制律设计、余度设计的简要分析,可以看出电传操纵系统设计过程中需要注意的一系列问题,对这些问题的合理解决是完成电传操纵系统设计的必要条件。我国的大型客机已经进入设计研发阶段,应注重电传操纵系统技术的研究,提升知识水平,开发出具有自主知识产权的产品。
参考文献
[1] 鲁道夫·布罗克豪斯.飞行控制[M].北京:国防工业出版社,1999.
[2] 朱妍,景海峰,高亚奎.空客飞机电传控制律设计分析[C].中国航空学会2007年学术年会,西安:第一飞机设计研究院飞行物理研究所,2007.
[3] 严雅琳.民用飞机电传飞控系统浅析[J].民用飞机设计与研究,2010,97(2):35～36
[4] A330 Flight Crew Operating Manual.
[5] 文传源.现代飞行控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.