關(guān)于直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的研究

◎ 陳慧杰

引言：直升機(jī)具有靜不穩(wěn)定性（在懸停和小速度狀態(tài)下）、強(qiáng)烈的操縱耦合、寬大的飛行范圍、危險的低高度飛行等特點，因此直升機(jī)必須加裝飛行控制系統(tǒng)來改善其特性。解決上述問題的一種方案是，采用以控制增穩(wěn)系統(tǒng)SCAS為主，輔以自動駕駛儀系統(tǒng)，以改善直升機(jī)的操穩(wěn)性能，減小軸間耦合，從而減輕駕駛員的工作負(fù)荷。為了驗證該方案的可行性，在計算機(jī)環(huán)境下搭建虛擬系統(tǒng)并開展仿真驗證。結(jié)合仿真實驗效果，該飛行控制系統(tǒng)可以較好的完成自動駕駛?cè)蝿?wù)，具有較強(qiáng)的實用價值。

一、直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

1.傳感器模型。

傳感器是電氣控制中不可或缺的重要元件。在直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)中，各類前端設(shè)備上需要串聯(lián)相應(yīng)功能的傳感器，例如溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、壓力傳感器等等。利用傳感器采集相應(yīng)的溫度、壓力參數(shù)，這些參數(shù)可以通過內(nèi)置通信單元，同步的傳輸?shù)接嬎銠C(jī)飛行控制終端，然后根據(jù)傳感信號，作出同步響應(yīng)，并發(fā)送飛行控制指令，實現(xiàn)自動駕駛。在仿真實驗中，也需要設(shè)置若干種傳感器模型，用于提供仿真實驗所需的各種模擬信號。另外，在數(shù)據(jù)庫中提供了若干個數(shù)據(jù)存儲單元，為數(shù)據(jù)調(diào)用提供了便利，有助于增強(qiáng)飛行控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。

2.伺服電機(jī)模型。

在飛行控制系統(tǒng)做出了相應(yīng)的控制指令后，這些控制信號沿著線路傳輸?shù)角岸嗽O(shè)備，然后由伺服電機(jī)提供動力，控制前端設(shè)備做出相應(yīng)的動作。伺服電機(jī)作為整個飛行控制閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重要組成，在仿真實驗中也需要設(shè)置若干臺伺服電機(jī)。目前在飛行控制系統(tǒng)中，根據(jù)助力方式的不同，伺服電機(jī)又可以分為多種形式，比較常用的有機(jī)械液壓助力、真空助力兩種。

3.串聯(lián)舵機(jī)模型。

針對各種舵機(jī)實物建立簡單的等效線性模型以及更為準(zhǔn)確的非線性模型，并針對飛控系統(tǒng)采用的串、并聯(lián)舵機(jī)復(fù)合操縱方式，建立完整的仿真模型。由于總距串聯(lián)舵機(jī)靠俯仰、左橫滾、右橫滾串聯(lián)舵機(jī)共同動作來實現(xiàn)總槳距的運(yùn)動。仿真中總距串聯(lián)舵機(jī)模型與其它軸串聯(lián)舵機(jī)結(jié)構(gòu)相同，其傳動比進(jìn)行相應(yīng)折算。

4.大氣模型。

直升機(jī)在飛行過程中，遇到大氣擾動會對飛行安全產(chǎn)生較大的影響，為了保證直升機(jī)能夠在遇到大氣紊流時仍然能夠保證穩(wěn)定、安全的飛行，在飛行控制系統(tǒng)中必須要增加大氣模型?？紤]到大氣穩(wěn)流具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，因此在仿真實驗中要想完全真實的模擬現(xiàn)實中的大氣擾動是不現(xiàn)實的。為此，在仿真實驗中一般將大氣擾動模型分為大氣紊流、離散突風(fēng)和風(fēng)切變模型三種。對直升機(jī)來說，可以使用按平穩(wěn)隨機(jī)過程理論建立的大氣紊流速度一維頻譜的兩種形式，即Vol·Kalman形式和Dryden形式。這兩種形式的紊流頻譜模型都滿足各向同性大氣紊流的全部數(shù)學(xué)要求，且對于所有的高度都適用。

二、直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的仿真

針對飛行控制系統(tǒng)的功能，利用Simulink強(qiáng)大的分級建模能力，將體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的飛行控制模型分解成飛控計算機(jī)、操縱桿系、伺服機(jī)構(gòu)、直升機(jī)數(shù)學(xué)模型和傳感器等若干子系統(tǒng)。傳統(tǒng)的飛行控制仿真實驗中，通常會使用到三軸轉(zhuǎn)臺等相關(guān)設(shè)備，這樣雖然可以較好的模擬直升機(jī)真實飛行狀態(tài)，但是成本較高，且操作起來難度較大。在本次仿真實驗中，采用“快速原型設(shè)計”的方法，用高置信度的物理模型和低成本的計算機(jī)系統(tǒng)，搭建起還原真實飛行狀態(tài)的仿真環(huán)境。對比來看，基于快速原型的仿真設(shè)計，不僅提供了良好的人機(jī)交互界面，方便技術(shù)人員靈活方便的調(diào)整各項控制參數(shù)，而且還能夠?qū)崟r反饋仿真結(jié)果。

通過利用MATLAB的RTW工具將Simulink框圖自動轉(zhuǎn)換為C代碼，經(jīng)過少量改寫和加入實時控制機(jī)制，提供了一種從Simulink框圖平滑過渡到VC集成開發(fā)環(huán)境的途徑，省去了在VC中編寫模型代碼和控制代碼的繁瑣工作，在設(shè)計階段充分利用Simulink提供的各種豐富的有效工具，又使得最后實現(xiàn)的控制系統(tǒng)完全不依賴于MATLAB/Simulink環(huán)境，從而大大方便了系統(tǒng)的二次開發(fā)和整合。

三、直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的未來研發(fā)方向

1.綜合化與智能化控制。

近年來，AI技術(shù)在電氣化控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，這也為飛行控制系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展提供了技術(shù)支撐?；诖髷?shù)據(jù)分析技術(shù)和人工智能技術(shù)，讓計算機(jī)具備了強(qiáng)大的學(xué)習(xí)和記憶能力，在自動控制功能上也得到了進(jìn)一步的豐富。例如，目前直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，只能作為一種輔助功能。隨著智能化控制技術(shù)的成熟，未來將有望代替駕駛?cè)藛T完成更多的操縱和控制，實現(xiàn)了全自動駕駛。近年來，基于HACT的飛行控制系統(tǒng)，在仿真實驗中已經(jīng)完成了自動識別飛行狀態(tài)、自動調(diào)整直升機(jī)飛行參數(shù)等一系列功能，這些技術(shù)將有可能在下一代直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)中實踐應(yīng)用。

2.模塊化與小型化部件。

對于飛行器來說，不僅是飛行控制系統(tǒng)，幾乎所有的電子元件、電氣設(shè)備都在朝著模塊化、小型化、微型化方向發(fā)展。特別是對于小型、無人駕駛直升機(jī)來說，飛行控制系統(tǒng)中控制元件、電子設(shè)備的集成化、模塊化也是一種重要研究方向。從實用功能來看，模塊化設(shè)備除了體積和重量減小，減輕了直升機(jī)的飛行負(fù)載外，還具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性、抗干擾能力，降低了飛行控制系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，這也是保證控制安全的有效手段。

結(jié)語：近年來，直升機(jī)在民用領(lǐng)域得到了越來越廣泛的使用。同時，對于無人機(jī)的駕駛安全和飛行控制也提出了更為嚴(yán)格的要求。本文設(shè)計的一種基于快速原型設(shè)計理念，通過MATLAB平臺進(jìn)行仿真實驗的飛行控制方案，根據(jù)仿真結(jié)果表明直升機(jī)飛行穩(wěn)定。今后要繼續(xù)在控制智能化、設(shè)備模塊化領(lǐng)域加強(qiáng)研究，為直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的完善提供技術(shù)上和硬件上的支持。