一種基于模型對(duì)比的飛控系統(tǒng)穩(wěn)定裕度試驗(yàn)方案

郭騰飛+王越之

【摘 要】現(xiàn)代民機(jī)多采用電傳飛控系統(tǒng)，通過(guò)增穩(wěn)反饋回路改善飛機(jī)本體的阻尼和頻率特性。閉環(huán)的飛控系統(tǒng)不僅需要滿(mǎn)足模態(tài)特性、操縱穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求，還需要滿(mǎn)足穩(wěn)定裕度指標(biāo)。本文針對(duì)單回路的閉環(huán)飛控系統(tǒng)，提出一種基于模型對(duì)比的穩(wěn)定裕度試驗(yàn)方案，可以在驗(yàn)證穩(wěn)定裕度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，在頻域范圍內(nèi)確認(rèn)閉環(huán)系統(tǒng)模型建立的正確性。首先，建立非線性桌面仿真模型，并通過(guò)測(cè)試向量，對(duì)各系統(tǒng)模型進(jìn)行修正完善；其次，通過(guò)分析獲取飛行包線內(nèi)需要進(jìn)行穩(wěn)定裕度評(píng)估的飛行狀態(tài)點(diǎn)，并在桌面仿真中注入掃頻激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析得到閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度；最后，在地面試驗(yàn)階段，注入同樣的掃頻激勵(lì)信號(hào)，得到真實(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。桌面仿真及地面試驗(yàn)結(jié)果，表明了該試驗(yàn)方案的可行性。

【關(guān)鍵詞】電傳飛控；穩(wěn)定裕度；掃頻

【Abstract】Fly by wire flight control system are widely used by modern civil aircraft， which could improve damping and frequency characteristics through feedback loop. Closed loop flight control shall not only meets the design requirements of model characteristics， stability， but also the requirements of stability margin. A stability margin test plan based on model comparison is proposed in this article， which could verify the stability margin requirements， and check the correctness of model. Firstly， nonlinear simulation model is built and shall pass test vectors. Secondly， flight condition points are chosen and simulated through frequency sweeping method. Finally， the same frequency sweeping signal is injected in test to obtain the stability of real system. Simulation and test results show that the feasibility of this test plan.

【Key words】Fly-by-Wire； Flight control stability margin； Frequency sweep

0 引言

對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，考慮到氣動(dòng)建模的不確定性、舵機(jī)回路的不確定性等因素，在整個(gè)使用飛行包線內(nèi)，在最不利的重心位置、質(zhì)量分布和外掛方案的飛行條件下，以及在地面工作中都必須滿(mǎn)足規(guī)定的穩(wěn)定裕度要求。文獻(xiàn)[1]MIL-F-9490E，針對(duì)不同的頻率范圍，提出了分段的幅值裕度和相位裕度的要求。為評(píng)估閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，文獻(xiàn)[2]在掃頻方法及數(shù)據(jù)處理方法上進(jìn)行了大量研究工作。

本文針對(duì)單回路的閉環(huán)飛控系統(tǒng)，提出一種基于模型對(duì)比的試驗(yàn)方案?？紤]到在地面試驗(yàn)驗(yàn)證階段，飛控計(jì)算機(jī)、總線、作動(dòng)器等真件已經(jīng)到位，因此，真實(shí)系統(tǒng)的特性可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，并反映到仿真模型中。在評(píng)估閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度前，進(jìn)行閉環(huán)回路各系統(tǒng)的模型對(duì)比，通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)試向量，對(duì)各系統(tǒng)模型進(jìn)行修正完善；

1 基于模型對(duì)比的試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)方案與桌面仿真模型密切聯(lián)系，遵循從模塊-功能-系統(tǒng)的測(cè)試流程：可以增強(qiáng)對(duì)仿真模型的信心，并提高試驗(yàn)效率，增加試驗(yàn)結(jié)果的說(shuō)服力，如圖1所示。

2 試驗(yàn)考慮

a）信號(hào)注入方式

掃頻信號(hào)可以在傳感器處注入，也可以選擇在作動(dòng)器前端注入，其掃頻幅值的選擇，既要保證不能太小導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)死區(qū)等非線性環(huán)節(jié)的影響，也不能過(guò)大以免超出作動(dòng)器的工作能力范圍。

b）系統(tǒng)故障模式

試驗(yàn)需要作動(dòng)器不同工作模式（主主，主備）對(duì)穩(wěn)定裕度的影響，考慮液壓失效對(duì)穩(wěn)定裕度試驗(yàn)的影響。

c）其他考慮

在飛行包線內(nèi)特定狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行掃頻試驗(yàn)時(shí)，通常不希望掃頻時(shí)狀態(tài)點(diǎn)的速度和高度變化太大，以至于影響分析結(jié)果，需要對(duì)掃頻方式及六自由度方程進(jìn)行一定的處理。

3 試驗(yàn)算例分析

本文采用波特和尼克爾斯技術(shù)對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度進(jìn)行測(cè)定。如圖2所示。模型仿真與鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

本文提出了基于模型對(duì)比的穩(wěn)定裕度試驗(yàn)方案，該方案經(jīng)過(guò)分析，可以用于指導(dǎo)飛控系統(tǒng)地面頻域試驗(yàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]MIL-F-9490E Flight control systems-Design， Installation and Test of Piloted Aircraft.

[2]Mark B.Tischler Demonstration of frequency sweep testing technique using a bell 214-st helicopter， NASA Technical Memorandum，1987.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]