大型飛機(jī)超速保護(hù)模糊控制律設(shè)計與仿真

薛源 王博 江飛鴻 薛軼凡

摘要：大型飛機(jī)的速度/馬赫數(shù)超過了使用包線右邊界后，會對機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成損傷，飛行員需要在短時間內(nèi)以較大的操縱負(fù)擔(dān)將飛機(jī)改出超速狀態(tài)。本文研究提出了超速保護(hù)功能的設(shè)計理念及要求，采用模糊控制策略設(shè)計了超速保護(hù)控制律，控制飛機(jī)超速后自動產(chǎn)生相應(yīng)的正法向過載，爬升減速改出超速狀態(tài)，從而達(dá)到對速度/馬赫數(shù)的自動保護(hù)，提高飛機(jī)超速后安全性及減輕飛行員操縱負(fù)擔(dān)。仿真結(jié)果表明，該控制律能夠有效保證飛機(jī)超速后對速度/馬赫數(shù)的保護(hù)及使飛機(jī)自動改出超速狀態(tài)，飛機(jī)響應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求，具有良好的控制效果。

關(guān)鍵詞：超速保護(hù)；模糊控制；控制律；大飛機(jī)；仿真

中圖分類號：V249.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.10.007

隨著航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，飛行控制系統(tǒng)經(jīng)歷了機(jī)械操縱控制、模擬電路控制及數(shù)字計算機(jī)控制的發(fā)展歷程，現(xiàn)代飛機(jī)廣泛采用基于數(shù)字計算機(jī)的電傳飛行控制系統(tǒng)。數(shù)字計算機(jī)控制具有容易實現(xiàn)復(fù)雜控制律結(jié)構(gòu)及參數(shù)復(fù)雜變化規(guī)律的優(yōu)勢，在解決了飛機(jī)操縱性及穩(wěn)定性傳統(tǒng)問題的基礎(chǔ)上，為減輕飛行員操縱負(fù)擔(dān)和提高飛機(jī)安全性，飛行包線邊界保護(hù)功能也被列入數(shù)字電傳飛行控制系統(tǒng)飛機(jī)的必備需求。

對于大型飛機(jī)而言，其任務(wù)使命決定了對高安全性的要求，長航時飛行的特點提出了減輕飛行員操縱負(fù)擔(dān)的需求。因此，飛行包線邊界保護(hù)功能對于大型飛機(jī)尤其重要。超速保護(hù)功能是大型飛機(jī)一項重要的飛行包線邊界保護(hù)功能，能夠有效防止飛機(jī)速度過大造成機(jī)體損傷，并實現(xiàn)將飛機(jī)自動改出超速狀態(tài)，減輕飛行員操縱負(fù)擔(dān)。目前，空客和波音公司生產(chǎn)的典型大型飛機(jī)（如A320系列和波音777系列）都具有超速保護(hù)功能，實現(xiàn)了在飛行包線右邊界附近的“無憂慮”安全飛行。然而，我國大型飛機(jī)數(shù)字電傳飛行控制系統(tǒng)發(fā)展起步較晚，需要對飛行包線邊界保護(hù)功能進(jìn)行研究，為大型飛機(jī)研制及發(fā)展提供理論及技術(shù)支撐[1]。

對目前現(xiàn)役的典型運輸類飛機(jī)的超速保護(hù)功能進(jìn)行分析，結(jié)合適航條款等規(guī)章要求，提出超速保護(hù)控制律的設(shè)計要求及理念，采用模糊控制策略完成超速保護(hù)控制律的設(shè)計，實現(xiàn)飛機(jī)超速保護(hù)功能。

1問題描述

能夠?qū)崿F(xiàn)“無憂慮”操縱，這是數(shù)字電傳飛行控制系統(tǒng)飛機(jī)的主要特點之一。為了避免飛機(jī)速度過大而造成機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷，在飛行手冊中一般會明確飛機(jī)的最大使用速度/馬赫數(shù)（VMO/MaMO）及設(shè)計俯沖速度/馬赫數(shù)（VD/ MaD）。當(dāng)飛機(jī)超過最大使用速度/馬赫數(shù)時，告警系統(tǒng)會給予飛行員超速告警提示，飛行員發(fā)現(xiàn)飛機(jī)超速后就必須操縱飛機(jī)減速，由于在高速狀態(tài)下飛機(jī)法向過載響應(yīng)靈敏，因此在改出超速狀態(tài)時需要注意飛機(jī)法向過載的變化。由此可見，飛機(jī)超速后需要飛行員以較大的負(fù)擔(dān)操縱飛機(jī)回到正常速度。為了減輕飛行員負(fù)擔(dān)及提高飛機(jī)安全性，需要設(shè)計超速保護(hù)控制律，即當(dāng)飛機(jī)超速后，對飛機(jī)速度進(jìn)行保護(hù)，避免速度進(jìn)一步增大，同時提供自動改出超速的能力。

2設(shè)計要求及設(shè)計理念

2.1設(shè)計要求

目前，我國大型飛機(jī)設(shè)計參考的主要規(guī)范有我國的GJB 2874—1997電傳操縱系統(tǒng)飛機(jī)的飛行品質(zhì)、GJB 185—1986有人駕駛飛機(jī)（固定翼）飛行品質(zhì)以及美國的MIL-HDBK—1797有人駕駛飛機(jī)（固定翼）飛行品質(zhì)，以及美國的CCAR 25部運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)及AC 25-7C運輸類飛機(jī)合格審定飛行試驗指南等，這些規(guī)范中未對超速保護(hù)功能有明確的要求。其中，CCAR 25部25.253條高速特性章節(jié)，給出了增速特性和速度恢復(fù)特性要求，但并未明確給出針對超速保護(hù)功能的要求。AC 25-7C中給出了高速特性試飛方法及要求，對超速改出期間的法向過載提出了定量要求，即通過申請人選定的改出程序改出，在改出期間法向過載不應(yīng)大于1.5（總的）。結(jié)合設(shè)計目的及相關(guān)要求，超速保護(hù)功能設(shè)計要求如下：（1）安全性要求：最嚴(yán)酷的操縱工況下（持續(xù)滿推桿情況），飛機(jī)速度不超過設(shè)計俯沖速度/馬赫數(shù)。（2）舒適性要求：按照AC 25-7C中的要求，當(dāng)飛機(jī)以6°～l2°的俯仰姿態(tài)俯沖，加速到超速告警發(fā)出后3s，通過規(guī)定的改出程序改出，在改出期間法向過載不大于1.5。

2.2設(shè)計理念

通過對飛行手冊進(jìn)行研究，空客和波音公司現(xiàn)役5種機(jī)型的超速保護(hù)功能目的及設(shè)計理念見表1。可看出，當(dāng)飛機(jī)速度增大到VMO/MaMO以上時，超速保護(hù)功能開啟，俯仰配平被凍結(jié)，飛行員操縱飛機(jī)俯沖的指令被衰減，同時使飛機(jī)產(chǎn)生一個持續(xù)的正過載，飛機(jī)逐漸抬頭爬升，從而限制飛機(jī)速度的繼續(xù)增大，使飛機(jī)自動改出超速狀態(tài)。另外，A380飛機(jī)明確了持續(xù)滿推桿操縱情況下，飛機(jī)速度也會被限制在相應(yīng)速度范圍內(nèi)。

3控制律設(shè)計

3.1控制律架構(gòu)設(shè)計

控制增穩(wěn)控制律實現(xiàn)對飛機(jī)操縱性和穩(wěn)定性的改善，使飛機(jī)具有良好的飛行品質(zhì)。將控制飛機(jī)法向過載作為縱向控制增穩(wěn)的目標(biāo)，控制增穩(wěn)控制律作為內(nèi)回路，超速保護(hù)控制律作為外回路，從而實現(xiàn)超速保護(hù)功能，控制律架構(gòu)如圖1所示。

內(nèi)回路采用經(jīng)典的比例-積分控制算法，前向通道將駕駛桿位移轉(zhuǎn)換為過載指令；比例通道引入俯仰角速率和法向過載反饋，改善過載響應(yīng)動態(tài)特性；積分通道實現(xiàn)過載指令的無靜差控制，從而達(dá)到桿位移操縱對飛機(jī)法向過載精確控制的目的。外回路基于當(dāng)前飛機(jī)指示空速和馬赫數(shù)，采用模糊控制策略生成超速保護(hù)駕駛桿位移指令，并與駕駛桿位移進(jìn)行綜合，通過內(nèi)回路實現(xiàn)飛機(jī)法向過載的精確控制，改變飛機(jī)姿態(tài)，實現(xiàn)速度/馬赫數(shù)的保護(hù)[2-4]。另外，飛行員推桿操縱會使飛機(jī)建立俯沖姿態(tài)，導(dǎo)致飛機(jī)速度增加。因此，當(dāng)飛機(jī)超速后，需要對推桿操縱進(jìn)行衰減，從而抑制由于操縱產(chǎn)生的飛機(jī)速度的增加。拉桿操縱會使飛機(jī)建立爬升姿態(tài)，使飛機(jī)速度減小，因此超速后對拉桿操縱不進(jìn)行衰減，該功能由圖1中的超速后推桿操縱衰減模塊實現(xiàn)。

3.2模糊控制器設(shè)計

采用模糊控制策略生成外回路超速保護(hù)駕駛桿位移指令，根據(jù)當(dāng)前飛機(jī)指示空速/馬赫數(shù)的大小，實時調(diào)整超速保護(hù)駕駛桿位移指令，控制飛機(jī)產(chǎn)生法向過載爬升減速，達(dá)到對飛機(jī)速度/馬赫數(shù)的保護(hù)，圖1中外回路模糊控制器架構(gòu)如圖2所示。設(shè)指示空速和馬赫數(shù)分別為輸入，指示空速語言變量為Vi，論域為{小，中，大}，輸入范圍為[VMOVD]；馬赫數(shù)語言變量為Ma，論域為{小，中，大}，輸入范圍為[MaMO MaD]；超速保護(hù)駕駛桿位移指令為輸出，語言變量為Cmd，論域為{弱，中，強(qiáng)}，隸屬度函數(shù)選為高斯型函數(shù)形式[5-8]。

制定如下模糊規(guī)則調(diào)整超速保護(hù)駕駛桿位移指令：（1）如果Vi為小且Ma為小，則Cmd為弱；（2）如果Vi為小且Ma為中，則Cmd為中；（3）如果Vi為小且Ma為大，則Cmd為強(qiáng)；（4）如果Vi為中且Ma為小，則Cmd為中；（5）如果Vi為中且Ma為中，則Cmd為中；（6）如果Vi為中且Ma為大，則Cmd為強(qiáng)；（7）如果Vi為大且Ma為小，則Cmd為強(qiáng)；（8）如果Vi為大且Ma為中，則Cmd為強(qiáng)；（9）如果Vi為大且Ma為大，則Cmd為強(qiáng)。

由以上模糊規(guī)則可知，當(dāng)Vi為小且Ma為小時，指示空速和馬赫數(shù)分別超過VMO和MaMO較少，需要較弱的超速保護(hù)指令對飛機(jī)速度進(jìn)行保護(hù)；當(dāng)Vi為小且Ma為中，或者Vi為中且Ma為小時，或者Vi為中且Ma為中，說明指示空速或馬赫數(shù)分別超過VMO或MaMO較多，需要中等的超速保護(hù)指令對飛機(jī)速度進(jìn)行保護(hù)；當(dāng)Vi為大或Ma為大，或者Vi為大且Ma為大時，說明指示空速或馬赫數(shù)分別大幅超過VMO或MaMO，需要較強(qiáng)的超速保護(hù)指令對飛機(jī)速度進(jìn)行保護(hù)。通過以上模糊控制規(guī)則，能夠根據(jù)當(dāng)前指示空速和馬赫數(shù)合理的調(diào)整超速保護(hù)駕駛桿位移指令，控制飛機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的法向過載，實現(xiàn)對飛機(jī)速度的保護(hù)[9-10]。另外，按照AC 25-7C中對飛機(jī)俯沖進(jìn)入超速狀態(tài)后改出過程法向過載不大于1.5的要求，需要根據(jù)對象飛機(jī)的桿位移-過載梯度設(shè)置Cmd的范圍，進(jìn)而保證超速保護(hù)駕駛桿位移指令產(chǎn)生的法向過載指令在該工況不超過1.5。

4仿真結(jié)果

假設(shè)某飛機(jī)VMO為550km/h，VD為640km/h，MaMO為0.77，MaD為0.83，飛機(jī)重量（質(zhì)量）為150t，高度8km，駕駛桿位移范圍為[-150 100]mm。模糊控制策略中的Vi輸入范圍為[550 640]，Ma輸入范圍為[0.77 0.83]。設(shè)該飛機(jī)的桿位移—過載梯度為100mm，Cmd輸出范圍設(shè)置為[0 100]，即超速保護(hù)功能最大產(chǎn)生1法向過載增量。隸屬度函數(shù)分別為圖3～圖5所示，圖中縱坐標(biāo)為隸屬度，取值范圍為[0 1]，隸屬度接近1，表示對于橫坐標(biāo)屬于相應(yīng)的語言變量程度越高；隸屬度接近0，表示對于橫坐標(biāo)屬于相應(yīng)的語言變量程度越低。另外，當(dāng)指示空速達(dá)到580km/h或馬赫數(shù)達(dá)到0.8時，將推桿位移指令衰減至0。按照以下兩種工況進(jìn)行仿真。

（1）工況1

驗證前述設(shè)計要求中的“舒適性要求”。馬赫數(shù)超速后的保護(hù)邏輯與指示空速超速保護(hù)邏輯相同，僅進(jìn)行指示空速超速情況仿真，對于馬赫數(shù)超速情況不再贅述。

仿真曲線如圖6所示，在第2s時進(jìn)行推桿操縱建立俯沖俯仰角，4.5s時刻俯沖俯仰角達(dá)到12°，俯仰角建立成功后駕駛桿回中，隨后飛機(jī)俯沖增速，5.8s時指示空速大于VMO進(jìn)入超速狀態(tài)，當(dāng)超過VMO后3s飛行員按照指定的超速改出程序立即收油門至慢車位，之后超速保護(hù)功能自動將飛機(jī)改出超速狀態(tài)。整個過程飛機(jī)指示空速未超出VD，且法向過載最大為1.42，滿足不超過1.5的要求。

（2）工況2

驗證前述設(shè)計要求中的“安全性要求”。仿真曲線如圖7所示，從第5s時開始持續(xù)滿推桿操縱，飛機(jī)最大俯沖俯仰角超過了20°，最大指示空速為633km/h，最大馬赫數(shù)為0.798，均未超出VD和MaD，達(dá)到了極限操縱工況下對飛機(jī)速度/馬赫數(shù)保護(hù)的效果。由于油門桿一直處于最大油門位置，因此圖7中未繪制油門桿曲線。

通過仿真曲線可看出，兩種工況在超速保護(hù)控制律作用下，飛機(jī)速度/馬赫數(shù)、法向過載等響應(yīng)滿足設(shè)計要求，所設(shè)計的控制律有效地實現(xiàn)了對飛機(jī)速度/馬赫數(shù)的保護(hù)。

5結(jié)束語

本文研究了大型飛機(jī)超速保護(hù)控制律設(shè)計問題，分析了超速保護(hù)功能設(shè)計理念及設(shè)計要求，基于模糊控制理論設(shè)計了超速保護(hù)控制器，實現(xiàn)了飛機(jī)速度/馬赫數(shù)超速后自動改出及保護(hù)。仿真結(jié)果驗證了該控制律的有效性，能夠為大型飛機(jī)超速保護(hù)功能設(shè)計提供參考。

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作者簡介

薛源（1986-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛行控制系統(tǒng)控制律設(shè)計。

Tel：13709194905

E-mail：xueyuan007521@126.com

Design and Simulation of Fuzzy Control Law for Overspeed Protection of Large Aircraft

Xue Yuan*，Wang Bo，Jiang Feihong，Xue Yifan

AVIC The First Aircraft Institute，Xian 710089，China

Abstract： The speed/Mach number of a large aircraft exceeds the right boundary of the flight envelope， which will cause damage to the structural strength of the aircraft. The pilot needs to change the aircraft out of the overspeed condition with a large maneuvering burden in a short time. The paper proposes the design concept and requirements of the overspeed protection function. The fuzzy control strategy is used to design the overspeed protection control law. After overspeed， the corresponding normal overload is automatically generated. The speed is reduced out of the overspeed state due to climbs up， thus reaching the protection of speed/Mach number. It improves the safety of the aircraft and reduces the pilots handling burden. The simulation results show that the control law can effectively guarantee the speed/Mach number protection after the aircraft overspeed and automatically change the aircraft out of the overspeed state. The aircraft response meets the relevant specifications and has good control effect.

Key Words： overspeed protection； fuzzy control； control law； large aircraft； simulation