進場動力補償器對自動著艦系統(tǒng)的影響

董然, 原新, 張智, 張雯

(1.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 航空系統(tǒng)研究所, 北京 100094;2.哈爾濱工程大學 自動化學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

進場動力補償器對自動著艦系統(tǒng)的影響

董然1, 原新2, 張智2, 張雯2

(1.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 航空系統(tǒng)研究所, 北京 100094;2.哈爾濱工程大學 自動化學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

針對保持迎角恒定的動力補償器(APC)能否兼顧保持艦載機進場空速的問題,結(jié)合H-dot指令自動著艦系統(tǒng)(ACLS)的工作特點,對艦載機自動著艦過程中最常見的3種指令響應(yīng)情況進行了理論分析?；贖-dot指令A(yù)CLS的控制器基本構(gòu)型,通過仿真研究了保持迎角恒定APC中各類指令信號對ACLS縱向控制性能的影響。仿真結(jié)果表明:不同APC指令信號對ACLS縱向控制的影響程度不同;只要穩(wěn)態(tài)飛行時艦載機航跡角不變,保持迎角恒定的APC就能維持進場艦載機的空速恒定。

迎角恒定; 空速恒定; 縱向控制

0 引言

艦載機著艦過程中,變幻莫測的艦尾大氣擾流和晃動的甲板使精確控制飛行軌跡特別困難[1]。自動著艦系統(tǒng)(Automatic Carrier Landing System, ACLS)能使艦載機在各種環(huán)境下自動進場并著艦,大大減輕了飛行員的操作負擔,提高了著艦成功率。進場動力補償器(Approach Power Compensator, APC)是ACLS必不可少的機構(gòu),它能自動操縱艦載機油門桿來控制發(fā)動機推力,輔助改善艦載機長周期運動特性[2]。事實上,無論飛行員選取何種著艦?zāi)Ｊ?APC都必須開啟。這是因為艦載機在著艦階段飛行速度低,發(fā)動機工作在阻力曲線背面,航跡控制穩(wěn)定性差,容易引起失速。APC的接入能及時補充推力,使飛行員專注于控制飛行姿態(tài)和航跡,有利于提高著艦精度[3-6]。

應(yīng)用中的APC主要基于保持空速或迎角恒定兩種設(shè)計方案。本文主要研究具有迎角保持能力的APC對ACLS縱向控制的影響,如APC能否兼顧艦載機進場空速的保持,以及各指令輸入在ACLS縱向控制中的作用。研究以某型艦載機的著艦運動模型為被控對象,并規(guī)定ACLS具有H-dot指令模式。

1 迎角保持APC的速度調(diào)節(jié)能力

通常所說的APC保持迎角或者空速恒定,是指艦載機糾正軌跡或者姿態(tài)偏差后達到穩(wěn)態(tài)時,其迎角或空速在APC的作用下維持在標稱值(配平值)。本文要討論的“保持迎角恒定APC的空速維持能力”基于以下前提條件:

(1)研究對象是經(jīng)過控制作用后又進入穩(wěn)態(tài)飛行的進場艦載機,側(cè)重于分析ACLS的穩(wěn)態(tài)特性,而不考慮風的持續(xù)作用。這是因為在大氣紊流作用下,進場艦載機的空速和迎角都無法保持恒定[7]。

(2)ACLS具有H-dot指令模式,規(guī)定控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的,并且在自動駕駛儀的作用下已具備良好的姿態(tài)保持能力。

根據(jù)ACLS控制下的艦載機著艦運動的特點,重點討論3種最有代表性的情況。情況Ⅰ:無風,控制作用糾正了艦載機航跡偏差;情況Ⅱ:無風,艦載機改變航跡,且新航跡與原基準航跡傾角不同;情況Ⅲ:有陣風,陣風過后艦載機仍保持原基準航跡飛行。其余情況可視為這3種情況的有機結(jié)合。

1.1H-dot指令A(yù)CLS的基本結(jié)構(gòu)

自動駕駛儀采用艦載機垂直速度和垂直加速度作為基準反饋信號(可分別通過反饋航跡角和法向過載來實現(xiàn)),因而通常被稱為“H-dot指令A(yù)CLS”[8]。

圖1 H-dot指令A(yù)CLS的縱向飛行控制律Fig.1 Longitudinal flight control law in H-dot ACLS

1.2 艦載機著艦縱向運動線性模型

不計大氣擾動的影響,艦載機在著艦階段的縱向運動可用式(1)的小擾動線性模型來描述,它是艦載機非線性運動方程在基準狀態(tài)處線性化的結(jié)果[9]。該基準狀態(tài)為:無任何外界干擾,艦載機保持配平迎角、勻速等角下降的穩(wěn)態(tài)飛行過程。

(1)

其中:

A=[A1A2]

式中：δc為鴨翼偏轉(zhuǎn)角；xv,yα,μq為艦載機縱向穩(wěn)定性和操縱導(dǎo)數(shù),其定義和計算方法見文獻[9]。

1.3APC速度保持能力分析

盡管早年有國外研究報告指出,保持迎角恒定的APC兼有空速保持能力[10-11],但有關(guān)該命題的論證尚不多見。文獻[12-13]以俯仰姿態(tài)指令A(yù)CLS為控制構(gòu)型,證明了保持迎角恒定APC使艦載機在完成高度糾偏后,空速也保持不變。本文根據(jù)H-dot指令A(yù)CLS的控制進場過程,以前文給出的3種機動情況來研究該命題。

(1) 情況Ⅰ。根據(jù)式(1),艦載機的空速擾動滿足式(2),式(2)經(jīng)拉普拉斯變換后為式(3)(變換時省略符號“Δ”,即α(s),γ(s),δp(s),H(s)等均表示其對應(yīng)狀態(tài)擾動量的拉普拉斯變換,下同)。

(2)

(3)

由于ACLS使艦載機回到基準航跡(指令下滑道),且ACLS內(nèi)含保持迎角恒定的APC,根據(jù)拉氏變換終值定理,有式(4)成立:

(4)

考慮到通常情況下舵機的控制律中不含飛行速度反饋,且升降舵和油門桿之間一般不存在控制交聯(lián),從而影響升降舵偏角的狀態(tài)量,如高度偏差指令、艦載機俯仰姿態(tài)、俯仰角速率、過載、下沉率、航跡角等,當艦載機回到基準航跡進入穩(wěn)態(tài)飛行時均無擾動。所以,艦載機升降舵的穩(wěn)態(tài)位置仍為基準值;同理,油門的穩(wěn)態(tài)位置也基本不變;至于鴨翼,通常不作為艦載機著艦階段的控制機構(gòu)。因此有式(5)成立,進而將拉氏變換終值定理用于式(3)后可得式(6),即艦載機空速的穩(wěn)態(tài)值為其基準值。

(5)

(6)

(7)

對于艦載機舵面偏轉(zhuǎn)角和油門開度,根據(jù)它們的常見控制規(guī)律,兩者的穩(wěn)態(tài)值相比其在原基準狀態(tài)可能都有變化。因此,根據(jù)式(3),并結(jié)合拉氏變換終值定理,可通過式(8)計算艦載機變軌后的空速擾動,它是一個隨時間連續(xù)變化的函數(shù)。

(8)

(3)情況Ⅲ。參照情況Ⅰ的分析可知,艦載機抵御陣風過后,升降舵偏角與油門開度均與陣風作用前相同。對艦載機穩(wěn)態(tài)進場飛行進行受力分析,得到平衡方程,繼而得到艦載機迎角正切值為:

(9)

式中:P,L,D為艦載機發(fā)動機合推力、氣動升力和氣動阻力;m為艦載機質(zhì)量;g為重力加速度;ρ為大氣密度;S為機翼面積;CL和CD分別為艦載機升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

考慮到升力系數(shù)和阻力系數(shù)主要受到升降舵偏角和迎角的影響,而艦載機質(zhì)量在進場著艦階段可近視為常數(shù)[6],式(10)表明艦載機空速基本不變。

綜合以上3種情況得出結(jié)論:在H-dot指令A(yù)CLS的控制進場過程中,采用保持迎角恒定的APC能否維持艦載機穩(wěn)態(tài)飛行時空速不變,主要取決于艦載機航跡角是否發(fā)生改變:若航跡角不變,則艦載機空速基本維持恒定;反之,空速的變化量與航跡角變化有關(guān),是關(guān)于時間的函數(shù)。

2 APC對縱向ACLS的影響

圖1所示H-dot指令A(yù)CLS中,具有迎角保持能力的APC的常見控制律結(jié)構(gòu)為式(10)[1,14];艦載機運動仍用式(1)來描述,模型具體參數(shù)見文獻[9]。

(10)

式中:δec為升降舵俯仰指令;KαP,Kq,Knz等均為APC中的控制增益。

APC俯仰角速率反饋對縱向ACLS階躍響應(yīng)的影響如圖2所示?？梢钥闯觯涸鲆嫒⌒手禃r,縱向ACLS具有最佳的綜合控制效果;增益降低使高度階躍響應(yīng)的超調(diào)量變大,艦載機達到俯仰穩(wěn)態(tài)的時間增加,而過快的俯仰角速率響應(yīng)會使其過渡過程具有尖銳的波峰,也對系統(tǒng)性能不利。參數(shù)偏離校準值對迎角和空速的影響主要是降低了它們的長周期響應(yīng)的阻尼,振蕩加劇但并未引起發(fā)散。

圖2 APC俯仰角速率反饋對縱向ACLS階躍響應(yīng)的影響Fig.2 Effect of APC pitch rate feedback on longitudinal ACLS step response

APC升降舵指令前饋增益對縱向ACLS的階躍響應(yīng)影響如圖3所示。顯然,舵面偏轉(zhuǎn)角對高度控制以及對保持迎角和空速影響很大。增大的舵指令增益使系統(tǒng)高度、迎角和空速的長周期響應(yīng)的振蕩程度加劇,甚至發(fā)散;而當該增益偏離校準值減小時,主要影響系統(tǒng)的短周期響應(yīng)特性,但不會使系統(tǒng)發(fā)散。此外,艦載機俯仰角速率響應(yīng)并未因變化的舵指令增益而發(fā)散,這是因為俯仰角速率穩(wěn)定性主要受自動駕駛儀內(nèi)環(huán)的角速率反饋的影響[14]。

APC迎角反饋比例增益對縱向ACLS階躍響應(yīng)的影響如圖4所示?？梢钥闯?當該增益偏離校準值變大時,系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間增加,進入穩(wěn)態(tài)后迎角擾動為0,空速也基本維持在配平值附近;當該增益相對校準值減小時,迎角響應(yīng)趨于發(fā)散,空速保持能力也逐漸惡化。此外,該增益對艦載機高度和俯仰角速率響應(yīng)的影響較小。

圖3 APC升降舵指令前饋對縱向ACLS階躍響應(yīng)的影響Fig.3 Effect of APC elevator feed forward command on longitudinal ACLS step response

圖4 APC迎角反饋比例增益對縱向 ACLS階躍響應(yīng)的影響 Fig.4 Effect of APC attack angle feedback proportion element on longitudinal ACLS step response

改變APC迎角信號反饋的積分增益后,系統(tǒng)的迎角保持能力與空速保持能力仍然正相關(guān),若無法穩(wěn)定迎角,則空速終將快速發(fā)散。相比APC中迎角反饋信號的比例環(huán)節(jié),積分環(huán)節(jié)的變化對于系統(tǒng)高度和俯仰角速率響應(yīng)的影響更小,此處不再贅述。

綜上所述:APC升降舵指令前饋和擾動迎角反饋對縱向ACLS控制效果有顯著影響;調(diào)節(jié)APC各輸入的增益對艦載機俯仰角速率響應(yīng)的穩(wěn)定性影響不大;APC法向過載指令的反饋增益對系統(tǒng)影響最小,俯仰角速率反饋增益的變化主要影響艦載機高度響應(yīng)超調(diào)量以及迎角和空速響應(yīng)的阻尼,從而改變系統(tǒng)長周期響應(yīng)特性。另外,如果改變ACLS的控制參數(shù)后APC仍能維持艦載機迎角恒定,則艦載機空速也終將回到配平值。這是因為,仿真中加入高度偏差指令雖然改變了艦載機進場航跡,但并未改變指令航跡角,艦載機響應(yīng)指令達到穩(wěn)態(tài)后仍然處于原基準飛行狀態(tài),仿真結(jié)果印證了1.3節(jié)對情況Ⅰ進行分析得出的結(jié)論。

3 結(jié)論

本文研究了保持迎角恒定的APC對H-dot指令縱向ACLS的影響,并得出以下結(jié)論:

(1)只要艦載機穩(wěn)態(tài)進場時的航跡角保持不變,APC也能維持艦載機空速不變；

(2)APC指令輸入的升降舵指令前饋和擾動迎角反饋對H-dot指令A(yù)CLS縱向控制的影響最為顯著,而法向過載反饋的影響最弱。

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(編輯：李怡)

Influence of approach power compensator on ACLS

DONG Ran1, YUAN Xin2, ZHANG Zhi2, ZHANG Wen2

(1.Aviation System Research Department, SERI, Beijing 100094, China;2.College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

For the problem of whether the APC which keeps the AOA constant can hold the airspeed or not, combine with the features of ACLS with a vertical rate reference (H-dot), three most common cases of command responding during autonomous carrier approach was analyzed. Moreover, using a general control architecture of H-dot ACLS, the APC which can hold AOA of a carrier-based aircraft, was examined to investigate the effects of all its command inputs on the longitudinal control performance of ACLS. Simulated results show that different command signals into the APC can affect longitudinal control of ACLS in different ways and to different degrees, and the APC with AOA keeping capability can maintain the airspeed as long as the track angle of the aircraft is constant in the steady-state approach fligh.

constant angle of attack; constant airspeed; longitudinal control

2016-05-29;

2016-10-13;

時間:2016-11-10 09:10

國家自然科學基金資助(61304060)

董然(1987-)，男，山東濟南人，工程師，博士，主要研究方向為控制理論與控制工程； 原新(1974-)，女，遼寧海城人，副教授，博士，研究方向為機器感知與智能控制。

V271.4; V249.1

A

1002-0853(2017)01-0034-05