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        民用飛機滾轉(zhuǎn)角限制器設(shè)計與分析

        2016-08-29 01:09:12磊上海飛機設(shè)計研究院陳磊碩士研究生上海飛機設(shè)計研究院飛機設(shè)計師研究方向為工程模擬器和飛行仿真技術(shù)
        中國科技信息 2016年12期
        關(guān)鍵詞:指令模態(tài)飛機

        陳 磊上海飛機設(shè)計研究院陳磊,男,碩士研究生,上海飛機設(shè)計研究院飛機設(shè)計師,研究方向為工程模擬器和飛行仿真技術(shù)。

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        民用飛機滾轉(zhuǎn)角限制器設(shè)計與分析

        陳 磊
        上海飛機設(shè)計研究院
        陳磊,男,碩士研究生,上海飛機設(shè)計研究院飛機設(shè)計師,研究方向為工程模擬器和飛行仿真技術(shù)。

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        評估值175萬

        appraisement

        行業(yè)曲線

        industry

        本文對飛機邊界控制中的滾轉(zhuǎn)角限制技術(shù)進行了分析,給出了一種滾轉(zhuǎn)角限制器設(shè)計方案,對設(shè)計的滾轉(zhuǎn)角限制器的工作原理進行了描述;然后基于一種典型民用飛機進行了滾轉(zhuǎn)角限制器設(shè)計,并使用Matlab/ Simulink軟件建立了滾轉(zhuǎn)角限制器仿真模型;最后對飛機滾轉(zhuǎn)角限制器模型進行了仿真驗證,結(jié)果表明設(shè)計的滾轉(zhuǎn)角限制器方案是可行的,可應(yīng)用于工程實際。

        目前,在飛機上可實現(xiàn)的主動控制技術(shù)包括放寬靜穩(wěn)定性、邊界控制、陣風(fēng)載荷減緩、機動載荷減緩等。其中邊界控制指的是通過在電傳飛行控制系統(tǒng)中加入邊界保護控制律,使飛機的某些重要飛機參數(shù)(包括迎角、滾轉(zhuǎn)角、空速等)能夠自動地被限制在規(guī)定的邊界范圍內(nèi),增強了飛機大迎角和大過載時操縱穩(wěn)定性,減輕了駕駛員的心理和體力負(fù)擔(dān),實現(xiàn)了飛行員期望的“無憂慮”操縱,大大減小因駕駛員操作處置失誤引起的飛行事故,保證了飛行員與飛機的安全。

        當(dāng)前飛機上使用比較廣泛的邊界控制技術(shù)主要有迎角限制、過載限制、俯仰角限制、速度限制、滾轉(zhuǎn)角限制等,本文主要對滾轉(zhuǎn)角限制技術(shù)進行了分析,給出了一種滾轉(zhuǎn)角限制設(shè)計方案,然后基于一種典型飛機進行了滾轉(zhuǎn)角限制器控制律設(shè)計,最后對設(shè)計的滾轉(zhuǎn)角限制器控制律進行了仿真驗證。

        滾轉(zhuǎn)角限制方案

        民用飛機橫向機動幅值較小,從安全性和乘客舒適性角度出發(fā),必須對滾轉(zhuǎn)角做出限制,因此需要設(shè)計滾轉(zhuǎn)角保護限制器,當(dāng)滾轉(zhuǎn)角達到較大值時,啟動保護模塊限制滾轉(zhuǎn)角增長,以實現(xiàn)駕駛員無憂飛行。正常情況下,側(cè)向運動的滾轉(zhuǎn)操縱使用側(cè)桿或駕駛桿來完成,其偏度被處理成滾轉(zhuǎn)角速度引導(dǎo)信號。

        基于一種典型飛機對滾轉(zhuǎn)角限制器進行設(shè)計,最大允許滾轉(zhuǎn)角速度為20o/s,對應(yīng)駕駛桿滿行程。滾轉(zhuǎn)角限制器啟動值為滾轉(zhuǎn)幅度25°,最大允許滾轉(zhuǎn)角為35°。根據(jù)上述思路,滾轉(zhuǎn)角限制工作原理下:

        當(dāng)滾轉(zhuǎn)角小于25°時,保持控制增穩(wěn)模態(tài),駕駛桿輸入對應(yīng)滾轉(zhuǎn)角速度指令;

        當(dāng)滾轉(zhuǎn)角大于25°時,具有穩(wěn)定的螺旋模態(tài),提供最大滾轉(zhuǎn)角限制功能,最大可達滾轉(zhuǎn)角對應(yīng)于駕駛桿滿行程操縱。當(dāng)駕駛桿回到中立位置后,滾轉(zhuǎn)角回復(fù)到25°以下,起到滾轉(zhuǎn)角保護功能。

        設(shè)計的滾轉(zhuǎn)角保護限制器結(jié)構(gòu)見圖1所示。根據(jù)設(shè)計目標(biāo),當(dāng)傾斜角大于啟動值后,自動削弱可得滾轉(zhuǎn)角速度指令,直到達到最大允許滾轉(zhuǎn)角時,將滾轉(zhuǎn)角速度指令置為零。

        滾轉(zhuǎn)角限制器仿真模型

        橫側(cè)向控制律結(jié)構(gòu)

        圖1 滾轉(zhuǎn)角限制器結(jié)構(gòu)圖

        滾轉(zhuǎn)角限制器控制以橫側(cè)向控制增穩(wěn)控制律為內(nèi)環(huán),在沒有觸發(fā)滾轉(zhuǎn)角限制功能時,飛機執(zhí)行正常的橫側(cè)向增穩(wěn)控制律功能,滿足滾轉(zhuǎn)角限制條件時,將觸發(fā)滾轉(zhuǎn)角限制功能。

        圖2 橫側(cè)向控制增穩(wěn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        圖3 設(shè)計的滾轉(zhuǎn)角限制器仿真模型

        圖4 滾轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線

        橫側(cè)向控制增穩(wěn)系統(tǒng)設(shè)計的目的是改善荷蘭滾模態(tài)特性,減小階躍副翼引起的側(cè)滑幅值。一種典型飛機橫側(cè)向控制增穩(wěn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2所示。

        在橫側(cè)向控制增穩(wěn)系統(tǒng)中,滾轉(zhuǎn)速率反饋可以有效地減小滾轉(zhuǎn)時間常數(shù)和滾轉(zhuǎn)-螺旋耦合。

        在側(cè)向通道中,經(jīng)過高通濾波的偏航速率反饋可增加荷蘭滾阻尼,高通濾波器用以消除在滾轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎中偏航速率引起的常值側(cè)滑;經(jīng)過滯后超前網(wǎng)絡(luò)的側(cè)向過載反饋可以增加航向靜穩(wěn)定性,超前的作用補償了由于高通濾波器時間常數(shù)過小導(dǎo)致的荷蘭滾頻率和阻尼的降低;副翼-方向舵交聯(lián)信號用以克服副翼偏航力矩,降低副翼操縱時的滾轉(zhuǎn)速率和側(cè)滑反應(yīng)中的荷蘭滾模態(tài)分量,減小滾轉(zhuǎn)-側(cè)滑耦合,改善滾轉(zhuǎn)操縱特性。

        側(cè)向通道中的滾轉(zhuǎn)速率交聯(lián)包括經(jīng)一階網(wǎng)絡(luò)校正的滾轉(zhuǎn)速率交聯(lián)信號和滾轉(zhuǎn)速率與迎角的乘積信號。前者可以有效地減小螺旋模態(tài)和穩(wěn)態(tài)的側(cè)滑角,消除側(cè)滑慢漂現(xiàn)象;后者可有效地補償隨迎角增加而減小的荷蘭滾阻尼,抵消在滾轉(zhuǎn)操縱中由偏航速率反饋引起的不利偏航力矩,減小滾轉(zhuǎn)速率響應(yīng)中的荷蘭滾分量和側(cè)滑響應(yīng)幅值。

        滾轉(zhuǎn)角限制器仿真模型

        根據(jù)圖1設(shè)計的滾轉(zhuǎn)角限制器,使用Matlab軟件建立滾轉(zhuǎn)角限制器仿真模型,見圖3所示。

        其中,仿真模型中Kwx、Knz、Kr、Kgama、Kinput為在不同平衡點處需要調(diào)節(jié)的參數(shù),本文采用直接搜索算法來確定上述參數(shù)。

        仿真結(jié)果及分析

        基于一種典型飛機,在高空巡航構(gòu)型狀態(tài)下(高度為11000m,馬赫數(shù)為0.64),駕駛桿盤施加入最大滾轉(zhuǎn)角速率20o/s的指令,對設(shè)計的滾轉(zhuǎn)角限制器進行數(shù)字仿真驗證。

        滾轉(zhuǎn)角限制器調(diào)節(jié)參數(shù)為:Kwx = 1.8676,Knz= 5.6047,Kr = -0.0246,Kgama = 2.0775,Kinput = 10.2967。

        滾轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線見圖4所示。

        由滾轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線可知,駕駛桿盤施加入最大滾轉(zhuǎn)角速率20o/s的指令后,滾轉(zhuǎn)角迅速增加,滾轉(zhuǎn)角達到25o時,駕駛桿盤指令滾轉(zhuǎn)角,啟動滾轉(zhuǎn)角限制功能,削弱可得滾轉(zhuǎn)角速度指令,滾轉(zhuǎn)角達到最大允許滾轉(zhuǎn)角35o時,在滾轉(zhuǎn)角限制功能的作用,滾轉(zhuǎn)角保持不變,直到10s后撤去駕駛桿盤輸入指令,滾轉(zhuǎn)角回落到25o左右。

        結(jié)語

        通過以上仿真結(jié)果可以得出,設(shè)計的滾轉(zhuǎn)角限制器功能能夠達到設(shè)計的預(yù)期效果,滾轉(zhuǎn)角限制器限制飛機滾轉(zhuǎn)角不超過規(guī)定的35°最大值,并且釋放駕駛桿盤后,滾轉(zhuǎn)角能夠回落到的滾轉(zhuǎn)角限制啟動值附近,因此表明設(shè)計的滾轉(zhuǎn)角限制器方案是可行的,可應(yīng)用于工程實際。

        10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.036

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