基于Hdot指令的艦載機兩種動力補償控制系統(tǒng)研究

張楊，周益，顏仙榮，尹大偉，錢國紅

（海軍研究院92728部隊，上海 200436）

0 引 言

艦載機著艦相比岸基飛機降落，著艦環(huán)境更為復雜。傳統(tǒng)基于控制姿態(tài)的著艦飛控系統(tǒng)無法有效抑制艦尾流的干擾，魯棒性較差，著艦精度較低。而Hdot著艦飛控系統(tǒng)可明顯抑制大氣紊流的擾動。以美國F-14A飛機為例，傳統(tǒng)的姿態(tài)控制系統(tǒng)縱向著艦誤差為54.7 ft（1 ft=0.304 8 m），而采用由氣壓高度表/加速度計獲得Hdot的控制系統(tǒng)誤差為23.7 ft，經過不斷改進和試驗，由SPN-42垂直誤差/加速度計獲得Hdot的縱向著艦誤差僅為21.6 ft。

同時，艦載機著艦低動壓處于速度—阻力的反區(qū)，造成速度不穩(wěn)定，此時艦載機的飛行軌跡不可控。引入動力補償系統(tǒng)（APCS）可確保艦載機的長周期穩(wěn)定性，提高艦載機著艦軌跡的動態(tài)響應速度和控制精度。APCS主要用來自動調節(jié)艦載機的著艦速度和高度，通過油門自動調節(jié)來控制飛機進場速度并使其保持恒定值。一方面可實現速度的穩(wěn)定，另一方面實現軌跡的跟蹤控制，因此可在很大程度上減輕飛行員的操縱負擔。國內外對APCS進行了設計研究，張玉潔等證明飛行迎角恒定系統(tǒng)可在加快飛機的動態(tài)響應、保持穩(wěn)態(tài)迎角不變的同時，保持速度恒定，與速度保持系統(tǒng)達到同樣的效果；鐘濤針對F/A-18A引入飛機姿態(tài)控制系統(tǒng)來解決俯仰控制不穩(wěn)定的問題，在滿足一級飛行品質的條件下，設計PID參數完成對速度保持進場動力補償系統(tǒng)的設計，解決航跡角無法穩(wěn)定跟蹤俯仰角的問題；焦曉輝等對基于迎角恒定，引入迎角、法向加速度和舵面反饋信號的動力補償系統(tǒng)的參數進行優(yōu)化；滿翠芳等提出了一種模糊自適應PID控制參數整定方法，將模糊控制思想和PID控制技術有機地結合起來，實現了艦載機進場動力補償系統(tǒng)智能化設計和PID參數在線自整定；R.Urnes等對基于Hdot指令的動力補償系統(tǒng)開展了速度APCS仿真分析。

可以看出，目前關于動力補償系統(tǒng)的研究，多是基于控制姿態(tài)進行設計的，而針對抑制艦尾流干擾的Hdot飛控系統(tǒng)的研究鮮少?；诖?，本文針對抗艦尾流干擾的Hdot著艦飛控系統(tǒng)，對其兩種APCS進行理論分析和仿真研究。首先對迎角保持APCS和速度保持APCS兩種進場APCS進行設計，其次進行基于Hdot指令下APCS的仿真分析，然后分析風干擾情況下的動力補償響應情況，最后通過仿真結果對比分析兩種APCS的原理并給出初步結論。

1 基于Hdot指令的兩種APCS設計

圖1 姿態(tài)θ指令下的飛行控制系統(tǒng)Fig.1 Flight control system under attitude command

圖2 Hdot指令下的飛行控制系統(tǒng)Fig.2 Flight control system under Hdot command

為了使艦載機軌跡角對姿態(tài)角有良好的跟蹤能力，必須對發(fā)動機進行推力控制，形成速度恒定（Δ=0）或迎角恒定（Δ=0）的飛行/推力綜合控制。之前的發(fā)動機推力由飛行員操縱，飛行員必須集中注意力同時操縱艦載機舵面和發(fā)動機油門，飛行員負擔極大，而APCS可以很好地解決以上問題。

APCS有兩種方案，一種是保持速度恒定的APCS，將速度反饋到發(fā)動機，本文寫作APCS|；另一種是保持迎角恒定的APCS，將迎角反饋到發(fā)動機，本文寫作APCS|。

1.1 速度保持動力補償系統(tǒng)

APCS|的工作原理是反饋飛機的速度變化信號Δ，經過一定的控制規(guī)律變換后引入油門，通過改變發(fā)動機油門偏度來改變推力，從而達到保持速度恒定的目的，進而使飛機航跡角Δ跟蹤上俯仰角Δ的變化。

有APCS時，飛機Δ對Δ的響應結構圖如圖3所示，可以看出：APCS|的主要輸入信號是飛機的水平速度變化量Δ，該信號主要來源于大氣數據計算機。APCS|相當于增加速度穩(wěn)定導數，抑制由姿態(tài)變化引起的速度變化，改善長周期運動阻尼。該方法的不足是存在跟蹤靜差。

圖3 有APCS時Δγ對Δθ的響應結構圖Fig.3 Structure diagram ofΔγresponse toΔθwith APCS

1.2 迎角保持動力補償系統(tǒng)

圖4 Hdot指令下的迎角保持動力補償系統(tǒng)Fig.4 Constant power compensation system for angle of attack under Hdot command

2 基于Hdot指令下的兩種APCS仿真分析

將整個飛行控制系統(tǒng)分為縱向和側向兩個方向進行控制律設計。本文只考慮縱向方向同時考慮APCS的設計。其飛行控制系統(tǒng)具有如下表達形式：

本文設計的基于Hdot指令的艦載機升降舵控制律可表示為

式中：K 、K 為控制律增益參數；K 為反饋增益。

引入Δ¨反饋，是為了通過預測艦載機高度變化率的趨勢，有效增加系統(tǒng)的阻尼和相位裕度，以加快系統(tǒng)的動態(tài)響應特性。

此時，兩種APCS的控制律分別為

2.1 不考慮風干擾

參考文獻［14］中的某型艦載機縱向線性模型數據，在艦載機著艦狀態(tài)進行配平時的速度為70 m/s，軌跡角為-3.5°。首先，在不考慮風干擾情況下進行仿真，在1 s時加入1.2 m/s的Hdot指令。選擇1.2 m/s的原因是在軌跡角能理想跟蹤俯仰角的情況下，1°姿態(tài)角變化引起1°軌跡角變化，在240 km/h的著艦速度能理想保持的情況下，1°的軌跡角變化量在幾何上等價于1.2 m/s高度的變化量（Hdot）。仿真結果如圖5所示。

圖5 Hdot指令下的兩種APCS仿真Fig.5 Two APCS simulations under Hdot command

從圖5可以看出：

（1）速 度 響 應 方 面，APCS|比APCS|性能好。APCS|在0.3 s內在較小范圍內波動，且在指令輸入后的4 s左右實現跟蹤誤差收斂到0；

（2）在俯仰角、軌跡角和迎角的響應方面，APCS|比APCS|性 能 更 優(yōu)。APCS|響應更快，在9 s左右實現軌跡穩(wěn)態(tài)跟蹤；但是APCS|比APCS|的發(fā)動機推力變化大，超調量較大。

2.2 考慮風干擾

仿真1 s后考慮單位脈沖的垂直風干擾，研究垂直方向艦載機響應。考慮風干擾情況的Hdot指令下兩種APCS仿真結果如圖6所示。

圖6 風干擾下的Hdot指令下的兩種APCS仿真Fig.6 Two APCS simulations under Hdot command with wind interference

從圖6可以看出：迎角保持APCS直接對法向的迎角進行控制，抑制迎角使得法向的姿態(tài)和軌跡等影響減弱，因此仿真圖中的跟蹤誤差可實現快速收斂到0；而速度保持APCS是間接地抑制法向干擾，其最直接的是抑制速度，因此時間響應上較慢。

通過分析可得以下結論：

（1）迎角保持APCS在軌跡角、高度、俯仰角和迎角的受擾抑制方面，性能優(yōu)于速度保持APCS。

（2）速度保持APCS在速度的受擾抑制方面，性能優(yōu)于迎角保持APCS。

3 結 論

迎角保持APCS穩(wěn)定迎角的能力大于速度保持APCS，其軌跡控制也比速度保持APCS要快。著艦飛機法向迎角、軌跡等響應遠比切向速度的響應重要，因此采用迎角保持APCS控制效果更好，這也和美軍的試飛結論相同。

目前已經有全權限數字控制發(fā)動機FADEC的飛機服役，例如F-22、F-35等。若艦載機裝備使用FADEC，則不需要再配置APCS。FADEC可通過總線接收飛控的數據及指令，在自動著艦過程維持恒定的迎角/空速。而現在發(fā)動機控制則需要單獨配置APCS以滿足自動著艦要求。未來的發(fā)展趨勢是，可以采用全權限的數字控制發(fā)動機FADEC取代目前的機械操縱APCS，精度更高，效率也會更高。