張楊，周益，顏仙榮，尹大偉，錢國(guó)紅

（海軍研究院92728部隊(duì)，上海 200436）

0 引 言

艦載機(jī)著艦相比岸基飛機(jī)降落，著艦環(huán)境更為復(fù)雜。傳統(tǒng)基于控制姿態(tài)的著艦飛控系統(tǒng)無(wú)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(dòng)。以美國(guó)F-14A飛機(jī)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(jì)獲得Hdot的控制系統(tǒng)誤差為23.7 ft，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和試驗(yàn)，由SPN-42垂直誤差/加速度計(jì)獲得Hdot的縱向著艦誤差僅為21.6 ft。

同時(shí)，艦載機(jī)著艦低動(dòng)壓處于速度—阻力的反區(qū)，造成速度不穩(wěn)定，此時(shí)艦載機(jī)的飛行軌跡不可控。引入動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)（APCS）可確保艦載機(jī)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定性，提高艦載機(jī)著艦軌跡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和控制精度。APCS主要用來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)艦載機(jī)的著艦速度和高度，通過(guò)油門自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)控制飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)速度并使其保持恒定值。一方面可實(shí)現(xiàn)速度的穩(wěn)定，另一方面實(shí)現(xiàn)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(fù)擔(dān)。國(guó)內(nèi)外對(duì)APCS進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，張玉潔等證明飛行迎角恒定系統(tǒng)可在加快飛機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、保持穩(wěn)態(tài)迎角不變的同時(shí)，保持速度恒定，與速度保持系統(tǒng)達(dá)到同樣的效果；鐘濤針對(duì)F/A-18A引入飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)來(lái)解決俯仰控制不穩(wěn)定的問(wèn)題，在滿足一級(jí)飛行品質(zhì)的條件下，設(shè)計(jì)PID參數(shù)完成對(duì)速度保持進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決航跡角無(wú)法穩(wěn)定跟蹤俯仰角的問(wèn)題；焦曉輝等對(duì)基于迎角恒定，引入迎角、法向加速度和舵面反饋信號(hào)的動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；滿翠芳等提出了一種模糊自適應(yīng)PID控制參數(shù)整定方法，將模糊控制思想和PID控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了艦載機(jī)進(jìn)場(chǎng)動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)和PID參數(shù)在線自整定；R.Urnes等對(duì)基于Hdot指令的動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)開(kāi)展了速度APCS仿真分析。

可以看出，目前關(guān)于動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)的研究，多是基于控制姿態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而針對(duì)抑制艦尾流干擾的Hdot飛控系統(tǒng)的研究鮮少。基于此，本文針對(duì)抗艦尾流干擾的Hdot著艦飛控系統(tǒng)，對(duì)其兩種APCS進(jìn)行理論分析和仿真研究。首先對(duì)迎角保持APCS和速度保持APCS兩種進(jìn)場(chǎng)APCS進(jìn)行設(shè)計(jì)，其次進(jìn)行基于Hdot指令下APCS的仿真分析，然后分析風(fēng)干擾情況下的動(dòng)力補(bǔ)償響應(yīng)情況，最后通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)比分析兩種APCS的原理并給出初步結(jié)論。

1 基于Hdot指令的兩種APCS設(shè)計(jì)

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(jī)軌跡角對(duì)姿態(tài)角有良好的跟蹤能力，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)推力由飛行員操縱，飛行員必須集中注意力同時(shí)操縱艦載機(jī)舵面和發(fā)動(dòng)機(jī)油門，飛行員負(fù)擔(dān)極大，而APCS可以很好地解決以上問(wèn)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(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)，本文寫作APCS|。

1.1 速度保持動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)

APCS|的工作原理是反饋飛機(jī)的速度變化信號(hào)Δ，經(jīng)過(guò)一定的控制規(guī)律變換后引入油門，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)油門偏度來(lái)改變推力，從而達(dá)到保持速度恒定的目的，進(jìn)而使飛機(jī)航跡角Δ跟蹤上俯仰角Δ的變化。

有APCS時(shí)，飛機(jī)Δ對(duì)Δ的響應(yīng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，可以看出：APCS|的主要輸入信號(hào)是飛機(jī)的水平速度變化量Δ，該信號(hào)主要來(lái)源于大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)。APCS|相當(dāng)于增加速度穩(wěn)定導(dǎo)數(shù)，抑制由姿態(tài)變化引起的速度變化，改善長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)阻尼。該方法的不足是存在跟蹤靜差。

圖3 有APCS時(shí)Δγ對(duì)Δθ的響應(yīng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram ofΔγresponse toΔθwith APCS

1.2 迎角保持動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)

圖4 Hdot指令下的迎角保持動(dòng)力補(bǔ)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(gè)飛行控制系統(tǒng)分為縱向和側(cè)向兩個(gè)方向進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)。本文只考慮縱向方向同時(shí)考慮APCS的設(shè)計(jì)。其飛行控制系統(tǒng)具有如下表達(dá)形式：

本文設(shè)計(jì)的基于Hdot指令的艦載機(jī)升降舵控制律可表示為

式中：K 、K 為控制律增益參數(shù)；K 為反饋增益。

引入Δ¨反饋，是為了通過(guò)預(yù)測(cè)艦載機(jī)高度變化率的趨勢(shì)，有效增加系統(tǒng)的阻尼和相位裕度，以加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

此時(shí)，兩種APCS的控制律分別為

2.1 不考慮風(fēng)干擾

參考文獻(xiàn)［14］中的某型艦載機(jī)縱向線性模型數(shù)據(jù)，在艦載機(jī)著艦狀態(tài)進(jìn)行配平時(shí)的速度為70 m/s，軌跡角為-3.5°。首先，在不考慮風(fēng)干擾情況下進(jìn)行仿真，在1 s時(shí)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(jià)于1.2 m/s高度的變化量（Hdot）。仿真結(jié)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(yīng) 方 面，APCS|比APCS|性能好。APCS|在0.3 s內(nèi)在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，且在指令輸入后的4 s左右實(shí)現(xiàn)跟蹤誤差收斂到0；

（2）在俯仰角、軌跡角和迎角的響應(yīng)方面，APCS|比APCS|性 能 更 優(yōu)。APCS|響應(yīng)更快，在9 s左右實(shí)現(xiàn)軌跡穩(wěn)態(tài)跟蹤；但是APCS|比APCS|的發(fā)動(dòng)機(jī)推力變化大，超調(diào)量較大。

2.2 考慮風(fēng)干擾

仿真1 s后考慮單位脈沖的垂直風(fēng)干擾，研究垂直方向艦載機(jī)響應(yīng)?？紤]風(fēng)干擾情況的Hdot指令下兩種APCS仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 風(fēng)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(duì)法向的迎角進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(shí)間響應(yīng)上較慢。

通過(guò)分析可得以下結(jié)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(jié) 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(jī)法向迎角、軌跡等響應(yīng)遠(yuǎn)比切向速度的響應(yīng)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(jié)論相同。

目前已經(jīng)有全權(quán)限數(shù)字控制發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC的飛機(jī)服役，例如F-22、F-35等。若艦載機(jī)裝備使用FADEC，則不需要再配置APCS。FADEC可通過(guò)總線接收飛控的數(shù)據(jù)及指令，在自動(dòng)著艦過(guò)程維持恒定的迎角/空速。而現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)控制則需要單獨(dú)配置APCS以滿足自動(dòng)著艦要求。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是，可以采用全權(quán)限的數(shù)字控制發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC取代目前的機(jī)械操縱APCS，精度更高，效率也會(huì)更高。