民机电传飞行控制系统体系结构研究

民机电传飞行控制系统体系结构研究王 永中国一航618所 陕西西安摘要本文研究了先进民用飞机电传飞行控制系统的体系结构，分析了A320/A340 、Boeing 777、A380的电传飞行控制系统的布局、余度结构、控制策略。

在分析国外民机电传飞控系统的基础上本文还针对我国“大型飞机”给出了电传飞控系统方案。

关键词电传、飞行控制、余度、飞控计算机、舵机1 引 言电传飞行控制系统是民用飞机发展的重要里程碑，它可减轻飞行员工作负担、提高乘座舒适性、优化飞机设计。

空客和波音都以电传飞行控制系统来改善飞机效能及增强市场商业竞争能力，取得了巨大成功。

随着我国经济的发展,民用航空工业将成为21世纪的一个新经济增长点。

国务院总理温家宝在十届全国人大四次会议上宣布，中国将在“十一五”期间适时启动大型飞机研制项目。

为适应日益增长的国内外市场对民用飞机的需求，应当不失时机地大力发展民用飞机电传控制技术的研究。

2 A320飞机电传飞控系统分析2.1 概述A320是第一架采用电传飞控系统的民航客机。

她是根据协和飞机模拟电传20多年的使用经验及A300、A310数字控制器（用于扰流片）使用经验的基础上设计成功的。

2.2 A320飞机飞控体系结构A320的电传飞行控制系统的计算机采用了7ⅹ2的结构，主要操纵面布局2台舵机，主备工作，保证因飞控系统故障而引起飞机失事的概率小于10-9/飞行小时，方向舵和水平安定面的机械操纵提供了安全操纵飞机着陆的能力。

整个飞控系统采用非相似余度设计并利用了控制面的气动冗余。

七个计算机完成电传操纵：2个升降舵副翼计算机（ELAC），控制副翼和升降舵舵机，控制THS 的两个电动马达；3个扰流片和升降舵计算机（SEC），控制着所有扰流片舵机，控制着第三个水平安定面（THS）的马达，SEC也作为ELAC计算机的备份；2个飞行增强计算机（FAC），提供了航向阻尼功能，完成自动配平极限值监控功能；它们均可在自己的权限内，通过相关操纵面去控制飞机运动。

除此之外，配平操纵盘通过机械操纵控制水平安定面（THS），脚蹬通过机械链控制方向舵，提供了在全部电气系统发生故障时能安全操纵飞机着陆的能力，机械控制优先级高于电控优先级。

所有的操纵面均为液压驱动。

其电传飞行控制系统结构如图1所示。

1图1 A320飞机电传飞行控制系统结构2.3 飞机三轴操纵2.3.1 俯仰轴正常情况下ELAC2控制着升降舵和THS。

ELAC1作为备份,当ELAC2故障时,ELC1自动接替工作，两个ELAC都故障时，SEC1或SEC2接替工作，配平操纵盘通过机械操纵控制着水平安定面（THS），其优先级高于电控优先级，其控制系统结构如图2所示。

图2 A320飞机电传飞行控制系统纵向控制结构2.3.2 滚转轴ELAC1控制着副翼，ELAC2作为备份，运行正常控制律，SEC接受ELAC的命令发送给扰流片完成相应的功能，FAC完成协调转换，ELAC都故障，SEC运行直接控制律且航向阻尼功能消失，其控制系统结构如图3所示。

图3 A320飞机电传飞行控制系统横滚控制结构2.3.3 航向轴方向舵操纵；脚蹬为机械操纵；飞行中，偏航阻尼和协调转弯及配平是电子控制。

航向阻尼协调转弯方向舵配平由ELAC计算发给FAC，FAC1优先于FAC2，FAC2处于热备份，其控制系统结构如图4所示。

图4 A320飞机电传飞行控制系统航向控制结构3A340飞机电传飞控系统分析3.1 概述A340飞机的电传飞行控制系统是在A320飞控系统的基础上进行了进一步的综合，采用了5ⅹ2的计算机结构，舵机仍采用主备工作方式。

3.2 体系结构5台计算机完成电传操纵，分别为3台主飞控计算机FCPC（Flight Control Primary Computer）控制所有的操作面，2台备分飞控计算机FCSC（Flight Control Secondary Computer）控制部分操作面。

A340已取消了专用的FAC，在俯仰及航向仍保留机械操纵。

系统的结构如图5所示图5 A340飞机电传飞行控制系统结构每个飞控计算机包含两个支路：指令支路和监控支路，两支路的功能不同，指令支路运行分配给该计算机的任务，监控支路确保指令支路的正确性，当计算机的两个支路的输出不一致时，该计算机被切除，剩下的计算机按照预先规定的优先级顺序投入运行。

飞控计算机采用了非相似的硬件和软件：主计算机和从计算机使用非相似的处理器；指令支路和监控支路使用不同的编程语言。

主计算机使用Intel 80386微处理器，其指令支路的软件用汇编语言编写，监控支路使用的编程语言为PL/M。

从计算机使用Intel 80186微处理器，其指令支路的软件用汇编语言编写，监控支路使用的编程语言为Pascal。

飞机的三轴操纵由主、备计算机控制，正常时由P1，P3，S1协同工作完成飞机的操纵。

P1提供升降舵、内侧副翼、水平安定面。

P3提供外侧副翼的控制功能。

S1提供配平及方向舵的控制功能。

当P1出现故障时，其升降舵、内侧副翼、水平安定面的控制功能由P2接替，如果P2再出现故障，由S1接替工作，航向阻尼的功能由P3接替。

P3出现故障由S1接替，S1出现故障时由S2接替。

其操纵面布局及控制权限变更顺序如图6所示图6 A340飞机操纵面布局及控制权限变更顺序3.3飞机三轴操纵3.3.1 俯仰轴飞行员指令通过侧杆送给主飞行控制计算机FCPC和FCSC。

飞行导引和包线计算机FMGEC （Flight Management Guidance and Envelope Computers）输出驾驶仪指令到FCPC，FCPC经过控制解算后输出操作指令到升降舵及水平安定面，当FCPC故障后，由FCSC来控制升降舵。

机械链通过液压马达控制水平安定面，达到飞机失去电气控制时，仍有机械备份操纵飞机。

飞机俯仰操纵的原理见图7。

图7 A340飞机电传飞行控制系统纵向控制结构3.3.2 航向轴同纵向通道一样，FCPC提供主要控制，FCSC作为备份。

驾驶员的指令通过脚蹬传给FCPC及FCSC、同时通过机械链操纵方向舵。

航向阻尼功能由FCPC提供，自动驾驶仪的航向指令由FMGEC提供给FCPC ，FCPC 控制相应的舵面完成相关功能，详见图8。

图8 A340飞机电传飞行控制系统航向控制结构4 B777飞机电传飞控系统分析4.1 概述B777是波音客机家族中，首次采用电传飞行控制的系统。

B777的电传飞行控制系统的结构是在早期的7J7设计的基础上发展起来的。

其电传系统具有极高的功能完整性和可靠性。

4.2 体系结构B777电传飞行控制系统是由3х3飞行控制计算机PFC （Primary Flight Computers ）和模拟式作动器控制电子设备ACE （Actuator control Electronics ）通过629总线连接实现飞机的电传飞行控制。

飞控系统接收驾驶员或自动驾驶发出的指令，并控制升降舵、方向舵、副翼、襟翼、缝翼和水平安定面等31个作动器，完成飞机操纵控制，其系统结构见图9。

此外扰流板4和11通过机械钢缆接收驾驶员指令，完成滚转操纵，水平安定面通过连杆接收驾驶员指令，完成俯仰操纵，该功能提供了在全部电气系统发生故障时能安全操纵飞机着陆的能力。

图9 B777飞机电传飞行控制系统结构4.3 系统原理驾驶员的指令信号通过传感器送给ACE ，ACE 把这些信号转换成数字量并通过629总线送给PFC 。

PFC 除接收驾驶员指令信号外，还通过629总线接收AIMS （飞机信息管理系统）；ADIRU （大气数据惯性参考单元）；SAARU （备份姿态大气数据参考单元）等信息。

PFC 根据控制律及飞行包线的限制来计算控制指令（纵、航向增稳及三轴的飞行包线保护），PFC以广播方式传送控制指令到629总线上，ACE接收这些指令，并转换成模拟信号馈送至舵机。

在自动驾驶仪工作方式下，PFC通过629接收自动驾驶仪AFDC（Autopilot Flight Director Computer）的信号：通过ACE送给舵机。

PFC也提供回传信号到回传作动器。

它发送广播回传信号到629，AFDC收到这个信号后驱动回传作动器，回传作动器驱动操纵杆（同驾驶仪命令同步）。

系统具有有三种工作模式：正常模式，备份模式和直接链模式。

正常模式工作如上所述，备份模式当大气数据等信息失效时进入，在这个模式下，PFC执行重构的控制律。

在直接链模式下，PFC 被旁路，ACE直接响应驾驶员指令。

4.5 飞机三轴操纵4.5.1 俯仰轴操纵杆通过与其相连的位置传感器（6余度）、力传感器（2余度）采集操纵指令，通过俯仰通道的4个舵机（PCUs）驱动左、右升降舵（每个舵面2个舵机）以提供飞机主要的俯仰控制。

来自驾驶员指令传感器、飞行控制计算机（FCC）或自动驾驶仪计算机（AFDC）的俯仰指令进入相应的ACE单元，并转换成模拟指令控制4个升降舵舵机，完成俯仰控制。

其结构见图10。

水平安定面是单独控制的，尽管它的控制指令仍是从ACE单元来的，在这种情况下，设在控制盘上的俯仰配平开关允许驾驶员选择俯仰配平输入进系统。

输出经过ACEs到达安定面配平控制模块（STCMs），这个模块通过螺旋作动器控制水平安定面。

水平安定面位置传感器反馈安定面的位置到ACEs。

图10 B777飞机电传飞行控制系统纵向控制结构4.5.2 滚转轴控制盘通过滚转位置传感器、滚转力传感器把控制指令馈送给系统来完成控制。

控制盘还被机械地连到4和11扰流板舵机，以进行直接机械滚转控制。

其结构见图11。

驾驶员或系统的滚转指令先通过ACE单元输入到计算机经解算后再通过ACE送给相关舵机，机械操纵指令是直接通过ACE送给舵机的。

总的来说，滚转控制通道的输入提供给以下的舵机：左、右副翼舵机（四个）左、右襟副翼舵机（执行副翼功能）除4和11扰流板以外的所扰流板除了通过操纵左和右机翼上不同的扰流板来提供滚转控制外，本通道还担负集合扰流板控制（地面扰流板功能以及减速功能）。

速度制动选择是使用单独安装在中央控制台上的控制杆实现的，控制杆机械地连接到速度制动控制杆传感器，这些传感器直接连接到ACEs。

图11 B777飞机电传飞行控制系统滚转轴控制结构4.5.3 航向轴脚蹬被机械地连接到方向舵人感系统，以提供机械操纵感觉。

脚蹬位置传感器把航向指令输入到ACEs并经飞控计算机处理后传输到（或直接传输到）方向舵的三个舵机。

其结构见图12。

方向舵配平选择器允许机组人员通过ACE单元使用方向舵配平。

方向舵配平指示通过在驾驶舱里的AIMS（Aircraft Imformation Management System）到方向舵配平指示器上显示。

图12 B777飞机电传飞行控制系统行向轴控制结构5A380飞机电传飞控系统分析A380 电传飞控系统采用了双体系（dual-architecture system）结构，除控制指令信号由电信号传送（Flight-by-wire system）外；部分功率也由电信号传送（Power-by-wire system）。