電傳飛控系統(tǒng)控制精度分析

郭建偉

（上海飛機設(shè)計研究院，上海 200436）

飛行控制系統(tǒng)是飛機最重要的系統(tǒng)之一，飛行員通過飛行控制系統(tǒng)控制飛機各個操縱面的位置，從而控制飛機的姿態(tài)，飛行員操縱飛機姿態(tài)的精確性或者說飛控系統(tǒng)的控制精度直接關(guān)系到飛機的飛行性能和操縱品質(zhì)。目前電傳飛行控制系統(tǒng)正在逐步取代傳統(tǒng)的機械操縱系統(tǒng)，相比機械操縱系統(tǒng)，電傳飛控系統(tǒng)省去了很多諸如鋼索、滑輪、搖臂和拉桿等傳動機構(gòu)，安裝在駕駛艙內(nèi)的指令感知傳感器將飛行員的動作指令轉(zhuǎn)換為電信號，并將電信號發(fā)送到飛控計算機，飛控計算機按照控制律進行計算后將控制指令發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)的控制器，由控制器和執(zhí)行機構(gòu)（作動器）所組成的伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動飛機各個操縱面運動。由于消除了相當多的由長線系機械傳動所引發(fā)的彈性變形、間隙等影響，因此電傳飛行控制系統(tǒng)的控制精度比機械操縱系統(tǒng)的精度要高出很多，本文也僅對電傳飛行控制系統(tǒng)的精度問題進行分析。

1 電傳飛控系統(tǒng)控制誤差產(chǎn)生原因

從功能和作用上來看，電傳飛行控制系統(tǒng)主要由三部分組成：駕駛艙操縱機構(gòu)（含指令感知傳感器）、舵面伺服控制系統(tǒng)（或作動系統(tǒng)，包括作動器及其控制器等）、飛控計算機等電子控制設(shè)備。

如前所述，駕駛艙操縱機構(gòu)負責將飛行員的動作指令轉(zhuǎn)換為電信號，飛控計算機等電子控制設(shè)備負責對代表飛行員指令的電信號進行處理和計算，舵面伺服控制系統(tǒng)執(zhí)行從飛控計算機發(fā)出的指令，驅(qū)動舵面運動到達指定位置。因此，我們分別從這三個部分對系統(tǒng)控制誤差產(chǎn)生的原因進行研究。

1.1 駕駛艙操縱機構(gòu)產(chǎn)生的誤差

飛控系統(tǒng)在駕駛艙內(nèi)的操縱器件一般包括駕駛桿、駕駛盤、腳蹬以及各類手柄、開關(guān)等，傳動器件包括搖臂、推拉桿、鋼索、扇形輪等，飛行員的動作指令通過操縱器件和傳動器件到達指令感知傳感器，即位置傳感器。

理論上操縱器件的輸入角度和傳感器輸出信號之間的關(guān)系是確定的（近似為線性關(guān)系），但操縱器件及傳動器件的制造、裝配公差以及受載時的彈性變形會導致實際的操縱器件輸入角度與傳感器輸出信號之間的關(guān)系與理論存在偏差，并且各傳動器件之間的連接間隙（游隙）也會造成這種偏差。此外，傳動機構(gòu)的幾何運動關(guān)系很可能導致非線性，即操縱器件的位置和傳感器的輸出電壓不是呈嚴格的線性關(guān)系，但這種非線性可以通過系統(tǒng)（例如在飛控計算機內(nèi)）對傳感器信號的整形來消除。

位置傳感器是駕駛艙操縱機構(gòu)誤差產(chǎn)生的另一個重要原因，目前用于感知飛行員動作指令的駕駛艙位置傳感器多為電位器或旋轉(zhuǎn)可變差動傳感器（RVDT）。電位器能夠提供良好的線性度，但電位器的機械接觸可能造成磨損、使用壽命有限和頻率較低。RVDT是非接觸裝置，無機械磨損問題，并提供較高的頻率范圍，但線性誤差可能大于電位器。不論是電位器還是 RVDT，位置傳感器都存在本身的精度問題，主要包括以下方面：①線性度。線性度（或非線性）是傳感器信號對輸入與輸出之間理想“直線”關(guān)系的最大偏離。②滯環(huán)。滯環(huán)是信號在加大或減小時對理想輸出的偏離量。③重復精度。重復精度是在依次施加給定輸入時，傳感器產(chǎn)生相同輸出的能力。④溫度漂移。模擬式傳感器的輸出可能會隨環(huán)境溫度的變化而變化。⑤分辨率。數(shù)字式傳感器的分辨率取決于信號臺階數(shù)。

1.2 舵面伺服控制系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差

舵面伺服控制系統(tǒng)主要包括控制器和作動器。與駕駛艙操縱機構(gòu)類似，作動器安裝支座、舵面操縱接頭等關(guān)鍵零件的制造公差、作動器的安裝公差、受載后的彈性變形，連接游隙是產(chǎn)生誤差的重要原因。同時，舵面伺服控制系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因還包括：①作動器伺服閥的門限（或死區(qū)）；②作動器伺服閥的滯環(huán)；③溫度或壓力引起的伺服閥的零點漂移；④控制器中放大器工作點（零點）的漂移；⑤位置反饋傳感器的精度或分辨率；⑥位置反饋傳感器的溫飄。

1.3 飛控計算機等電子控制設(shè)備產(chǎn)生的誤差

飛控計算機等電子控制設(shè)備的誤差主要產(chǎn)生于信號的調(diào)制與解調(diào)、數(shù)字信號和模擬信號的相互轉(zhuǎn)換、內(nèi)部數(shù)字信號處理等過程，同時這些誤差的大小還受工作環(huán)境溫度的影響。

除以上介紹的內(nèi)容之外，由于飛控系統(tǒng)還要從飛機其他系統(tǒng)接收各種信號作為控制律計算的輸入，例如大氣數(shù)據(jù)信號、過載信號、飛機姿態(tài)信、速率信號等，因此這些信號的誤差也會對飛控系統(tǒng)的控制精度產(chǎn)生影響。同時，飛控系統(tǒng)內(nèi)、外部信號傳輸過程中引入的外界干擾信號也會不可避免的影響系統(tǒng)的控制精度。

一般地，如果不考慮飛控系統(tǒng)外部信號的誤差以及信號傳輸過程中外界干擾信號的影響，飛行員對舵面位置（人－舵）的控制精度應控制在舵面滿行程的±5%以內(nèi)，其中由飛控計算機等電子控制設(shè)備產(chǎn)生的誤差約占一半，駕駛艙操縱機構(gòu)和舵面伺服控制系統(tǒng)的誤差各占25%左右。

2 提高飛控系統(tǒng)控制精度的思路和途徑

系統(tǒng)的誤差是無法根本消除的，只能通過包括設(shè)計、制造、安裝及調(diào)整等在內(nèi)的多種手段最大限度的減小誤差，提高系統(tǒng)精度。根據(jù)以上對飛控系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因的分析，我們大致可以從以下幾個方面提高飛控系統(tǒng)的控制精度：

（1）在設(shè)計駕駛艙操縱及傳動器件、舵面伺服控制系統(tǒng)的支座及接頭時，應充分考慮器件剛度對精度的影響，并嚴格控制器件的制造公差。

（2）嚴格控制傳動器件之間的連接剛度，例如連接用的銷軸與內(nèi)孔的配合盡量采用過度配合或過盈配合，避免使用間隙配合，導致產(chǎn)生過大的游隙，這些游隙不僅僅影響系統(tǒng)的精度，而且還會導致系統(tǒng)的振蕩甚至舵面顫振，應努力將這種游隙減小到零。

（3）駕駛艙操縱機構(gòu)或舵面伺服機構(gòu)安裝完畢后，須對位置傳感器的零位進行機械或電子調(diào)整，以消除部分由制造和裝配引入的誤差。但無論是機械調(diào)整還是電子調(diào)整都存在調(diào)整本身的最小分辨率問題，通常該分辨率換算成舵面的偏度可以達到0.1 °左右。此外，有些制造誤差所帶來的影響是無法通過安裝后的調(diào)整來消除的，比如操縱搖臂的長度（作動器操縱鉸鏈點到舵面轉(zhuǎn)軸鉸鏈點的距離）誤差會直接影響舵面的實際偏度，因此這部分的制造公差尤其要嚴格控制。

（4）選取合適的飛行員指令感知傳感器和作動器位置反饋傳感器。傳感器的分辨率應該比系統(tǒng)精度至少高10倍，同時傳感器的頻率響應必須與所控制的系統(tǒng)的頻率響應相適應，一般來說傳感器的固有頻率比系統(tǒng)頻率至少要高10倍。此外，激勵電壓和頻率直接影響傳感器的最大輸出、線性度和靈敏度等，而且對于小型傳感器，當激勵頻率較小時，受溫度影響也較大，因此，應適當?shù)剡x擇。一般選用電壓為3～8 V（rms）、頻率為2 000～3 000 Hz的電源作為激勵電源。

（5）盡量減小溫度和壓力波動對閥芯零位的影響。合理設(shè)置作動器伺服閥的門限，一般在空載和液壓系統(tǒng)正常供壓情況下，門限值應不大于0.2%額定輸入指令幅位。作動器的實際位置與理論位置（按額定指令電壓與額定行程為線性關(guān)系）之間的誤差，一般應不大于額定行程的2%～3%。

（6）針對控制器中伺服放大器的工作點漂移問題，可以從電路結(jié)構(gòu)上采取措施，改進偏置電路，以減小由于溫度變化而引起的工作點漂移，或者采用調(diào)制式直流放大器甚至直接采用交流放大器，但減小工作點漂移僅僅是選擇放大器時所應該考慮的一個方面，實際設(shè)計過程中還要綜合權(quán)衡。

（7）目前電傳飛控系統(tǒng)均采用多余度的飛控計算機，這些計算機可以同步工作，也可以異步工作。同步計算機能夠?qū)τ喽葌鞲衅餍盘枎缀跬瑫r進行采樣、處理、均衡、表決，因此其優(yōu)點是跟蹤誤差小、減少時間延遲。缺點是容易引入單點故障（同步功能失效）使所有計算機失效。異步計算機不要求對余度傳感器信號同時進行采樣，允許時間有偏差，最大可允許一個幀。其優(yōu)點是抗外界干擾能力強，引入單點故障概率小、容錯性能好。缺點是傳感器數(shù)據(jù)采樣的時間差大，最壞情況下，接近全計算幀，因而監(jiān)控門限值必須足夠大，這也意味著通道間的容差要相應加大，同時異步工作還會增加系統(tǒng)時間延遲。因此，采用計算機同步工作的方式還是異步工作的方式要綜合考慮，提高系統(tǒng)精度只是其中一個方面。

（8）由于飛控系統(tǒng)利用大氣數(shù)據(jù)、過載、飛機姿態(tài)、速率等信號作為輸入進行控制律計算，因此為保證這些外部信號的準確性，相應的傳感器的安裝位置、安裝方向要特別留意。例如，速率傳感器應盡量安裝在飛機重心處，傳感器敏感軸與被測量軸的安裝誤差一般應≤15′；加速度傳感器應盡量安裝在飛機重心處或駕駛員座椅處，同樣，傳感器敏感軸與被測量軸的安裝誤差也應≤15′；對于迎角、側(cè)滑角傳感器，原則上應裝在氣流穩(wěn)定的部位，必要時應通過風洞試驗選擇飛機上的安裝位置，并通過風洞試驗和飛行試驗進行校準。

（9）重視機載設(shè)備的接地與信號的屏蔽，盡量減小外界干擾對系統(tǒng)精度的影響。

3 結(jié)束語

最后需要指出的是，對于開環(huán)飛行控制系統(tǒng)，飛行員利用飛控系統(tǒng)直接確定舵面的位置，因此人－舵的控制精度直接決定了飛行員對飛機的操縱精確度。對于閉環(huán)飛行控制系統(tǒng)，飛機的姿態(tài)或速率將作為反饋信號參與對飛機的控制，在這種情況下舵面的實際位置精度并不會對整個飛控系統(tǒng)的控制精度產(chǎn)生太大的影響，但考慮到目前民用電傳飛機大多采用了模擬控制鏈作為備份，而模擬控制鏈基本上都為開環(huán)式控制，即飛行員直接操控舵面位置來控制飛機姿態(tài)，因此在進行飛控系統(tǒng)設(shè)計時，在充分權(quán)衡成本、周期、系統(tǒng)復雜程度的基礎(chǔ)上還是應該最大限度保證飛機各個舵面的位置控制精度。

1 程不時等.《飛機設(shè)計手冊》第5冊民用飛機總體設(shè)計［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2005

2 王永熙等.《飛機設(shè)計手冊》第 12冊飛行控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2003

3 楊逢瑜.電液伺服與電液比例控制技術(shù)［M］.北京：清華大學出版社，2009