民用飞机电传操纵系统设计浅析

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