民用飛機氣動伺服彈性穩(wěn)定性分析研究

匡群　趙晶慧　劉軍

【摘 要】本文以采用電傳控制的民用飛機為背景，闡述了民用飛機氣動伺服彈性穩(wěn)定性分析的背景和必要性。在此基礎(chǔ)上，介紹了氣動伺服彈性穩(wěn)定性分析狀態(tài)點的選取、分析模型的搭建，對影響氣動伺服彈性穩(wěn)定性的因素進行嚴酷性分析，并結(jié)合氣動伺服彈性穩(wěn)定性設(shè)計要求，給出氣動伺服彈性穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計方案，完成氣動伺服彈性穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計與評估。氣動伺服彈性穩(wěn)定性分析的方法，可應(yīng)用于電傳民用飛機的設(shè)計、驗證。

【關(guān)鍵詞】氣動伺服彈性穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)陷波器；濾波器；穩(wěn)定裕度

【Abstract】Based on a certain civil aircraft which adopts fly-by-wire control，the background and the necessity of aero servo elasticity stability analysis are depicted.On the basis of these，the selection of analysis state points and the construction of aero servo elasticity stability analysis model are introduced.The inclemency of factors which affect the aero servo elasticity stability is analyzed.Integrated with the aero servo elasticity stability design requirement，the design scheme is presented，the optimal design and evaluation of aero servo elasticity stability are accomplished.The aero servo elasticity stability analysis method can be used in fly-by-wire civil aircraft design and validation.

【Key words】Aero servo elasticity stability；Notch filter；Filter；Stability margin

0 引言

隨著航空科技的發(fā)展，運輸類飛機越來越多地采用電傳飛控技術(shù)，通過反饋速率、過載等信號實現(xiàn)增穩(wěn)控制，反饋回路的引入改善了系統(tǒng)的模態(tài)特性，改善了飛機的整體性能，提高了飛機的安全性水平，在一定程度上減輕了飛行員的工作負荷。閉環(huán)控制帶來優(yōu)勢的同時，反饋回路的引入帶來結(jié)構(gòu)模態(tài)響應(yīng)的信號，易與控制律回路產(chǎn)生耦合振蕩，因此，需要對控制回路的氣動伺服彈性（ASE，Aero Servo Elasticity）穩(wěn)定性進行分析，保證飛行安全。本文以某型民用飛機航向反饋回路ASE穩(wěn)定性分析為例，給出ASE穩(wěn)定性分析和迭代優(yōu)化設(shè)計流程與方案，并對迭代優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行評估。

1 ASE穩(wěn)定性分析背景

當飛機受到大氣擾動或飛行員操縱飛機運動后，反饋回路中的傳感器將含有結(jié)構(gòu)模態(tài)響應(yīng)的信號傳輸給控制律，經(jīng)控制律計算后，通過作動器驅(qū)動飛機運動，改變飛機的響應(yīng)。

閉環(huán)控制飛機結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

采用閉環(huán)控制的飛機，反饋回路如果設(shè)計不當，產(chǎn)生的耦合振蕩將導(dǎo)致嚴重的后果，例如：飛機響應(yīng)發(fā)散失控、飛機結(jié)構(gòu)損壞等。因此，通常在控制律中設(shè)計有專門的濾波環(huán)節(jié)，防止控制律與飛機之間出現(xiàn)不利的耦合[1]。在完成控制律回路中濾波器的設(shè)計后，需要對ASE穩(wěn)定性進行評估，以評定結(jié)構(gòu)模態(tài)濾波器的設(shè)計。

飛機設(shè)計是不斷迭代更新的過程，完成濾波器設(shè)計后，后期當飛機狀態(tài)（如飛機減重）、控制律設(shè)計輸入（如氣動數(shù)據(jù)）發(fā)生變化和更新時，需評估變化和更新造成的影響，對前期設(shè)計的濾波器、飛機的ASE穩(wěn)定性進行檢查，針對不滿足設(shè)計要求的情況制定迭代優(yōu)化設(shè)計方案、進行迭代優(yōu)化設(shè)計，確保飛機滿足操縱性和穩(wěn)定性設(shè)計要求，防止飛機和操縱面產(chǎn)生彈性耦合振蕩運動，保證飛機安全。

1.1 控制律概況

某型飛機航向控制律使用來自慣性基準系統(tǒng)（IRS，Inertial Reference System）的偏航角速率信號構(gòu)成反饋用于改善荷蘭滾模態(tài)特性，由于來自IRS的偏航信號中含有飛機結(jié)構(gòu)模態(tài)響應(yīng)信號，因此，需對方向舵到偏航角速率回路進行結(jié)構(gòu)濾波設(shè)計。

1.2 濾波器形式

航向反饋回路中偏航角速率信號濾波環(huán)節(jié)由結(jié)構(gòu)陷波器和二階低通濾波器這兩種濾波器構(gòu)成。

2 ASE穩(wěn)定性設(shè)計要求

民用飛機ASE穩(wěn)定性方面的要求如下：

為了解決可能出現(xiàn)的氣動伺服彈性不穩(wěn)定問題，應(yīng)合理選擇傳感器的安裝位置。另外還應(yīng)在控制律回路中引入結(jié)構(gòu)陷波器，使閉環(huán)回路在一階模態(tài)以上頻率滿足至少9dB的幅值裕度要求[1]。

3 ASE穩(wěn)定性分析與優(yōu)化

3.1 ASE穩(wěn)定性分析與優(yōu)化流程

ASE穩(wěn)定性分析與優(yōu)化的流程如圖3所示，當飛機狀態(tài)（如飛機減重）、控制律設(shè)計輸入（如氣動數(shù)據(jù)）發(fā)生變化和更新時，需評估變化和更新造成的影響，評估是否存在ASE穩(wěn)定性不符合設(shè)計要求的情況，如果存在，則需要選擇分析狀態(tài)點、搭建分析模型，并分析不同因素對ASE穩(wěn)定性的影響，根據(jù)分析的結(jié)果，制定ASE穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計方案，完成優(yōu)化設(shè)計后，需要再次對照設(shè)計要求對ASE穩(wěn)定性進行評估。

3.2 分析狀態(tài)點選取

飛機ASE穩(wěn)定性分析狀態(tài)點的選取基于飛機重量、重心、裝載、動壓和高度這五個參數(shù)，選取的狀態(tài)點覆蓋飛機臨界飛行重量、重心，以檢驗所有影響飛機ASE穩(wěn)定性的因素，在整個飛行包線范圍內(nèi)檢驗飛機的ASE穩(wěn)定性。

3.3 分析模型

ASE穩(wěn)定性測試在“飛機和控制系統(tǒng)”回路閉環(huán)的情況下進行，在作動器指令處斷開，通過對反饋信號到舵面的開環(huán)傳遞函數(shù)穩(wěn)定裕度的考察來分析飛機的ASE穩(wěn)定性。航向控制律ASE穩(wěn)定性分析模型結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，由作動器模型、飛機主舵面偏轉(zhuǎn)引起的慣導(dǎo)處頻率響應(yīng)（FRF，F(xiàn)requency response function）、IRS模型、濾波器、控制律、系統(tǒng)時延組成。

在分析時，考察結(jié)構(gòu)陷波器設(shè)計的魯棒性，對FRF數(shù)據(jù)分別進行提前0.5Hz、滯后0.5Hz處理，使用處理后的數(shù)據(jù)再次進行ASE穩(wěn)定性分析，且仍需滿足9db的幅值裕度要求。

3.4 優(yōu)化方案

對先期設(shè)計的控制律反饋回路的ASE穩(wěn)定性進行檢查，發(fā)現(xiàn)當飛機狀態(tài)（如飛機減重）、控制律設(shè)計輸入（如氣動數(shù)據(jù)）變化和更新后，某些狀態(tài)點處閉環(huán)回路不能滿足9dB的穩(wěn)定裕度設(shè)計要求。根據(jù)ASE穩(wěn)定性評估結(jié)果，對照設(shè)計要求，優(yōu)化濾波器參數(shù)，使結(jié)構(gòu)彈性振動幅值衰減到-9dB以下。

考慮到在結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合地面試驗前，飛機的彈性模型仍存在較大的不確定性，如果通過改變結(jié)構(gòu)陷波器參數(shù)來優(yōu)化存在一定的技術(shù)風險。因此，本文優(yōu)化的是二階低通濾波器參數(shù)和控制律反饋增益。通過調(diào)整二階低通濾波器頻率將機體結(jié)構(gòu)振動的頻響幅值在設(shè)計頻率處快速衰減，改動小，且可將飛機高于設(shè)計頻率的全部結(jié)構(gòu)振動模態(tài)衰減，使結(jié)構(gòu)彈性振動幅值衰減到-9dB以下，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。盡管二階低通濾波帶來較大的相位滯后，但通過評估仍在飛行品質(zhì)可接受范圍內(nèi)，即在滿足飛行品質(zhì)和ASE要求的前提下，犧牲部分飛行品質(zhì)性能，提高ASE的魯棒性。

根據(jù)控制律ASE穩(wěn)定性檢查時得出的結(jié)果，選擇最嚴酷的情況（安裝位置靠近機頭的IRS位置處、縫翼放下、FRF數(shù)據(jù)滯后），根據(jù)此情況下超出9dB穩(wěn)定裕度的最小頻率值，調(diào)整二階低通濾波器頻率參數(shù)進行優(yōu)化。

3.5 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果檢查

濾波器參數(shù)優(yōu)化后所對應(yīng)的航向方向舵到偏航角速率開環(huán)頻響如圖5所示。

4 結(jié)論

本文介紹了民用飛機氣動伺服彈性穩(wěn)定性分析產(chǎn)生的背景和必要性，對采用閉環(huán)控制的飛機氣動伺服彈性穩(wěn)定性進行分析研究，考慮了襟縫翼收放、傳感器安裝位置、FRF數(shù)據(jù)提前和滯后對氣動伺服彈性穩(wěn)定性的影響，選擇最嚴酷的狀態(tài)點進行設(shè)計并進行了優(yōu)化，保證飛機的氣動伺服彈性穩(wěn)定性在整個飛行包線內(nèi)均滿足設(shè)計要求。本文所采用的結(jié)構(gòu)陷波器滿足民機氣動伺服彈性穩(wěn)定性的要求，可應(yīng)用于采用閉環(huán)控制的民用飛機的設(shè)計、驗證。

【參考文獻】

[1]MIL-F-9490D.Flight Control Systems-Design，Installation and Test of Piloted Aircraft General Specification[S].

[責任編輯：田吉捷]