郭建偉

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200436）

飛行控制系統(tǒng)是飛機(jī)最重要的系統(tǒng)之一，飛行員通過飛行控制系統(tǒng)控制飛機(jī)各個(gè)操縱面的位置，從而控制飛機(jī)的姿態(tài)，飛行員操縱飛機(jī)姿態(tài)的精確性或者說飛控系統(tǒng)的控制精度直接關(guān)系到飛機(jī)的飛行性能和操縱品質(zhì)。目前電傳飛行控制系統(tǒng)正在逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械操縱系統(tǒng)，相比機(jī)械操縱系統(tǒng)，電傳飛控系統(tǒng)省去了很多諸如鋼索、滑輪、搖臂和拉桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，安裝在駕駛艙內(nèi)的指令感知傳感器將飛行員的動(dòng)作指令轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將電信號(hào)發(fā)送到飛控計(jì)算機(jī)，飛控計(jì)算機(jī)按照控制律進(jìn)行計(jì)算后將控制指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器，由控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（作動(dòng)器）所組成的伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)各個(gè)操縱面運(yùn)動(dòng)。由于消除了相當(dāng)多的由長(zhǎng)線系機(jī)械傳動(dòng)所引發(fā)的彈性變形、間隙等影響，因此電傳飛行控制系統(tǒng)的控制精度比機(jī)械操縱系統(tǒng)的精度要高出很多，本文也僅對(duì)電傳飛行控制系統(tǒng)的精度問題進(jìn)行分析。

1 電傳飛控系統(tǒng)控制誤差產(chǎn)生原因

從功能和作用上來看，電傳飛行控制系統(tǒng)主要由三部分組成：駕駛艙操縱機(jī)構(gòu)（含指令感知傳感器）、舵面伺服控制系統(tǒng)（或作動(dòng)系統(tǒng)，包括作動(dòng)器及其控制器等）、飛控計(jì)算機(jī)等電子控制設(shè)備。

如前所述，駕駛艙操縱機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將飛行員的動(dòng)作指令轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，飛控計(jì)算機(jī)等電子控制設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)代表飛行員指令的電信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，舵面伺服控制系統(tǒng)執(zhí)行從飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，驅(qū)動(dòng)舵面運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定位置。因此，我們分別從這三個(gè)部分對(duì)系統(tǒng)控制誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行研究。

1.1 駕駛艙操縱機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的誤差

飛控系統(tǒng)在駕駛艙內(nèi)的操縱器件一般包括駕駛桿、駕駛盤、腳蹬以及各類手柄、開關(guān)等，傳動(dòng)器件包括搖臂、推拉桿、鋼索、扇形輪等，飛行員的動(dòng)作指令通過操縱器件和傳動(dòng)器件到達(dá)指令感知傳感器，即位置傳感器。

理論上操縱器件的輸入角度和傳感器輸出信號(hào)之間的關(guān)系是確定的（近似為線性關(guān)系），但操縱器件及傳動(dòng)器件的制造、裝配公差以及受載時(shí)的彈性變形會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的操縱器件輸入角度與傳感器輸出信號(hào)之間的關(guān)系與理論存在偏差，并且各傳動(dòng)器件之間的連接間隙（游隙）也會(huì)造成這種偏差。此外，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系很可能導(dǎo)致非線性，即操縱器件的位置和傳感器的輸出電壓不是呈嚴(yán)格的線性關(guān)系，但這種非線性可以通過系統(tǒng)（例如在飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)）對(duì)傳感器信號(hào)的整形來消除。

位置傳感器是駕駛艙操縱機(jī)構(gòu)誤差產(chǎn)生的另一個(gè)重要原因，目前用于感知飛行員動(dòng)作指令的駕駛艙位置傳感器多為電位器或旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)傳感器（RVDT）。電位器能夠提供良好的線性度，但電位器的機(jī)械接觸可能造成磨損、使用壽命有限和頻率較低。RVDT是非接觸裝置，無機(jī)械磨損問題，并提供較高的頻率范圍，但線性誤差可能大于電位器。不論是電位器還是 RVDT，位置傳感器都存在本身的精度問題，主要包括以下方面：①線性度。線性度（或非線性）是傳感器信號(hào)對(duì)輸入與輸出之間理想“直線”關(guān)系的最大偏離。②滯環(huán)。滯環(huán)是信號(hào)在加大或減小時(shí)對(duì)理想輸出的偏離量。③重復(fù)精度。重復(fù)精度是在依次施加給定輸入時(shí)，傳感器產(chǎn)生相同輸出的能力。④溫度漂移。模擬式傳感器的輸出可能會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化。⑤分辨率。數(shù)字式傳感器的分辨率取決于信號(hào)臺(tái)階數(shù)。

1.2 舵面伺服控制系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差

舵面伺服控制系統(tǒng)主要包括控制器和作動(dòng)器。與駕駛艙操縱機(jī)構(gòu)類似，作動(dòng)器安裝支座、舵面操縱接頭等關(guān)鍵零件的制造公差、作動(dòng)器的安裝公差、受載后的彈性變形，連接游隙是產(chǎn)生誤差的重要原因。同時(shí)，舵面伺服控制系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因還包括：①作動(dòng)器伺服閥的門限（或死區(qū)）；②作動(dòng)器伺服閥的滯環(huán)；③溫度或壓力引起的伺服閥的零點(diǎn)漂移；④控制器中放大器工作點(diǎn)（零點(diǎn)）的漂移；⑤位置反饋傳感器的精度或分辨率；⑥位置反饋傳感器的溫飄。

1.3 飛控計(jì)算機(jī)等電子控制設(shè)備產(chǎn)生的誤差

飛控計(jì)算機(jī)等電子控制設(shè)備的誤差主要產(chǎn)生于信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換、內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理等過程，同時(shí)這些誤差的大小還受工作環(huán)境溫度的影響。

除以上介紹的內(nèi)容之外，由于飛控系統(tǒng)還要從飛機(jī)其他系統(tǒng)接收各種信號(hào)作為控制律計(jì)算的輸入，例如大氣數(shù)據(jù)信號(hào)、過載信號(hào)、飛機(jī)姿態(tài)信、速率信號(hào)等，因此這些信號(hào)的誤差也會(huì)對(duì)飛控系統(tǒng)的控制精度產(chǎn)生影響。同時(shí)，飛控系統(tǒng)內(nèi)、外部信號(hào)傳輸過程中引入的外界干擾信號(hào)也會(huì)不可避免的影響系統(tǒng)的控制精度。

一般地，如果不考慮飛控系統(tǒng)外部信號(hào)的誤差以及信號(hào)傳輸過程中外界干擾信號(hào)的影響，飛行員對(duì)舵面位置（人－舵）的控制精度應(yīng)控制在舵面滿行程的±5%以內(nèi)，其中由飛控計(jì)算機(jī)等電子控制設(shè)備產(chǎn)生的誤差約占一半，駕駛艙操縱機(jī)構(gòu)和舵面伺服控制系統(tǒng)的誤差各占25%左右。

2 提高飛控系統(tǒng)控制精度的思路和途徑

系統(tǒng)的誤差是無法根本消除的，只能通過包括設(shè)計(jì)、制造、安裝及調(diào)整等在內(nèi)的多種手段最大限度的減小誤差，提高系統(tǒng)精度。根據(jù)以上對(duì)飛控系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因的分析，我們大致可以從以下幾個(gè)方面提高飛控系統(tǒng)的控制精度：

（1）在設(shè)計(jì)駕駛艙操縱及傳動(dòng)器件、舵面伺服控制系統(tǒng)的支座及接頭時(shí)，應(yīng)充分考慮器件剛度對(duì)精度的影響，并嚴(yán)格控制器件的制造公差。

（2）嚴(yán)格控制傳動(dòng)器件之間的連接剛度，例如連接用的銷軸與內(nèi)孔的配合盡量采用過度配合或過盈配合，避免使用間隙配合，導(dǎo)致產(chǎn)生過大的游隙，這些游隙不僅僅影響系統(tǒng)的精度，而且還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩甚至舵面顫振，應(yīng)努力將這種游隙減小到零。

（3）駕駛艙操縱機(jī)構(gòu)或舵面伺服機(jī)構(gòu)安裝完畢后，須對(duì)位置傳感器的零位進(jìn)行機(jī)械或電子調(diào)整，以消除部分由制造和裝配引入的誤差。但無論是機(jī)械調(diào)整還是電子調(diào)整都存在調(diào)整本身的最小分辨率問題，通常該分辨率換算成舵面的偏度可以達(dá)到0.1 °左右。此外，有些制造誤差所帶來的影響是無法通過安裝后的調(diào)整來消除的，比如操縱搖臂的長(zhǎng)度（作動(dòng)器操縱鉸鏈點(diǎn)到舵面轉(zhuǎn)軸鉸鏈點(diǎn)的距離）誤差會(huì)直接影響舵面的實(shí)際偏度，因此這部分的制造公差尤其要嚴(yán)格控制。

（4）選取合適的飛行員指令感知傳感器和作動(dòng)器位置反饋傳感器。傳感器的分辨率應(yīng)該比系統(tǒng)精度至少高10倍，同時(shí)傳感器的頻率響應(yīng)必須與所控制的系統(tǒng)的頻率響應(yīng)相適應(yīng)，一般來說傳感器的固有頻率比系統(tǒng)頻率至少要高10倍。此外，激勵(lì)電壓和頻率直接影響傳感器的最大輸出、線性度和靈敏度等，而且對(duì)于小型傳感器，當(dāng)激勵(lì)頻率較小時(shí)，受溫度影響也較大，因此，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x擇。一般選用電壓為3～8 V（rms）、頻率為2 000～3 000 Hz的電源作為激勵(lì)電源。

（5）盡量減小溫度和壓力波動(dòng)對(duì)閥芯零位的影響。合理設(shè)置作動(dòng)器伺服閥的門限，一般在空載和液壓系統(tǒng)正常供壓情況下，門限值應(yīng)不大于0.2%額定輸入指令幅位。作動(dòng)器的實(shí)際位置與理論位置（按額定指令電壓與額定行程為線性關(guān)系）之間的誤差，一般應(yīng)不大于額定行程的2%～3%。

（6）針對(duì)控制器中伺服放大器的工作點(diǎn)漂移問題，可以從電路結(jié)構(gòu)上采取措施，改進(jìn)偏置電路，以減小由于溫度變化而引起的工作點(diǎn)漂移，或者采用調(diào)制式直流放大器甚至直接采用交流放大器，但減小工作點(diǎn)漂移僅僅是選擇放大器時(shí)所應(yīng)該考慮的一個(gè)方面，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中還要綜合權(quán)衡。

（7）目前電傳飛控系統(tǒng)均采用多余度的飛控計(jì)算機(jī)，這些計(jì)算機(jī)可以同步工作，也可以異步工作。同步計(jì)算機(jī)能夠?qū)τ喽葌鞲衅餍盘?hào)幾乎同時(shí)進(jìn)行采樣、處理、均衡、表決，因此其優(yōu)點(diǎn)是跟蹤誤差小、減少時(shí)間延遲。缺點(diǎn)是容易引入單點(diǎn)故障（同步功能失效）使所有計(jì)算機(jī)失效。異步計(jì)算機(jī)不要求對(duì)余度傳感器信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，允許時(shí)間有偏差，最大可允許一個(gè)幀。其優(yōu)點(diǎn)是抗外界干擾能力強(qiáng)，引入單點(diǎn)故障概率小、容錯(cuò)性能好。缺點(diǎn)是傳感器數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間差大，最壞情況下，接近全計(jì)算幀，因而監(jiān)控門限值必須足夠大，這也意味著通道間的容差要相應(yīng)加大，同時(shí)異步工作還會(huì)增加系統(tǒng)時(shí)間延遲。因此，采用計(jì)算機(jī)同步工作的方式還是異步工作的方式要綜合考慮，提高系統(tǒng)精度只是其中一個(gè)方面。

（8）由于飛控系統(tǒng)利用大氣數(shù)據(jù)、過載、飛機(jī)姿態(tài)、速率等信號(hào)作為輸入進(jìn)行控制律計(jì)算，因此為保證這些外部信號(hào)的準(zhǔn)確性，相應(yīng)的傳感器的安裝位置、安裝方向要特別留意。例如，速率傳感器應(yīng)盡量安裝在飛機(jī)重心處，傳感器敏感軸與被測(cè)量軸的安裝誤差一般應(yīng)≤15′；加速度傳感器應(yīng)盡量安裝在飛機(jī)重心處或駕駛員座椅處，同樣，傳感器敏感軸與被測(cè)量軸的安裝誤差也應(yīng)≤15′；對(duì)于迎角、側(cè)滑角傳感器，原則上應(yīng)裝在氣流穩(wěn)定的部位，必要時(shí)應(yīng)通過風(fēng)洞試驗(yàn)選擇飛機(jī)上的安裝位置，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

（9）重視機(jī)載設(shè)備的接地與信號(hào)的屏蔽，盡量減小外界干擾對(duì)系統(tǒng)精度的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

最后需要指出的是，對(duì)于開環(huán)飛行控制系統(tǒng)，飛行員利用飛控系統(tǒng)直接確定舵面的位置，因此人－舵的控制精度直接決定了飛行員對(duì)飛機(jī)的操縱精確度。對(duì)于閉環(huán)飛行控制系統(tǒng)，飛機(jī)的姿態(tài)或速率將作為反饋信號(hào)參與對(duì)飛機(jī)的控制，在這種情況下舵面的實(shí)際位置精度并不會(huì)對(duì)整個(gè)飛控系統(tǒng)的控制精度產(chǎn)生太大的影響，但考慮到目前民用電傳飛機(jī)大多采用了模擬控制鏈作為備份，而模擬控制鏈基本上都為開環(huán)式控制，即飛行員直接操控舵面位置來控制飛機(jī)姿態(tài)，因此在進(jìn)行飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在充分權(quán)衡成本、周期、系統(tǒng)復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上還是應(yīng)該最大限度保證飛機(jī)各個(gè)舵面的位置控制精度。

1 程不時(shí)等.《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第5冊(cè)民用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2005

2 王永熙等.《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第 12冊(cè)飛行控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2003

3 楊逢瑜.電液伺服與電液比例控制技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009