先进飞行控制系统-第十三课

先进飞行控制系统第十三节课(20191128)第七章现代飞行控制技术7.1电传操纵系统7.2主动控制技术•放宽静稳定性•直接力控制•机动载荷控制•阵风减缓与乘感控制•主动颤振抑制7.1电传操纵系统7.1.1飞行操纵系统（FCS）的发展飞行操纵系统的发展可分为四个阶段：简单机械操纵系统不可逆助力操纵系统增稳与控制增稳系统电传操纵系统（FBW）（1）简单机械操纵系统50年代以前，由于飞机飞行速度不高，舵面气动载荷不大所以用简单的一杆三舵和机械传动杆系，借飞行员体力可拉动舵面。（2）不可逆助力操纵系统50年代初期至中期，由于飞行速度增加，舵面载荷增加，飞行员体力难以操纵飞机由此出现助力器。为了使飞行员感觉到速度、高度的变化，而设置回力杆，将部分舵面载荷传到杆上出现可逆助力操纵系统。在跨音速时，出现了杆力不可操纵性，引出不可逆助力操纵系统。原因：在时，舵面效率下降（∵焦点后移，使静安定系数增大,升降舵操纵效能下降,升降舵操纵力矩不足以克服低头力矩，为此采用全动式平尾，扩大升降舵面积，补偿效率的降低，此时由于舵面铰链力矩很大，而无法实现所需要的回力比∴取消回力杆，成为不可逆的助力操纵系统为使飞行员能感受到载荷增加了载荷机构、力臂调节和调效机构（调效机构起消除杆力作用）临界MMmCemCeeMM（3）增稳与控制增稳系统从50年代中期至60年代，由于飞机向高速高空方向发展，歼击机外型变化（大后掠、三角机翼，细长身），使飞机自身稳定性不足，此时通过气动外形改变和飞行操纵系统难以提高稳定性，为此出现了阻尼增稳系统。这样会引起操纵性下降，为解决稳定性与操纵性的矛盾而出现控制增稳系统。（4）电传操纵系统60年代至今，虽然控制增稳系统能兼顾飞机稳定性与操纵性的要求，但是电气通道的操纵权限不是全权限的，也没有可靠的安全措施，机械杆系仍然存在。将控制增稳系统的电气通道的权限扩展到全权限，取消机械通道而出现电传操纵系统，该系统中必存在计算机，同时采用余度技术具有很多优点。1）电传操纵系统特点：在电传系统中，驾驶杆输出不是机械位移信号，而是电信号它与自动控制系统产生的电信号综合后，共同操纵舵面，所以电传操纵使人工操纵与自动控制在功能上和操纵方式上融为一体。安全可靠、故障率低、无力反传问题、提高战伤生存能力。这是MFCS的第三次变革。2）电传操纵系统的发展：传操纵系统在上世纪50年代末就已出现。第一架采用电传操纵系统的作战飞机是F-111，该机于1964年开始飞行，当时采用了三余度带机械备份的模拟式系统。之后在其它型号的飞机（如“狂风”战斗机，F-8C飞机，西德的F-104G、波音YC-14短距起落运输机等）也进行了电传操纵系统的验证并且开始采用数字式系统。但最初电传操纵系统的共同特点是为了安全可靠，都带有机械备份系统，以提供非相似的余度2）电传操纵系统的发展：六十年代中期集成电路的出现，对航空技术的发展产生了巨大影响，为制造小型可靠的余度电传系统提供了物质条件1972年美国空军发起的轻型战斗机验证计划的竞标中，第一架采用无机械备份的电传操纵系统飞机YF-16被美国空军选为新的轻型战斗机，从此开始了无任何机械备份的电传操纵系统的发展。为了强调无机械备份电传操纵系统的巨大潜力有时还将其称为全电传（Fullfly-by-wire，FFBW）操纵系统。YF-16经过试验证及大量技术改造之后，F-16很快成为世界上第一架无机械备份的模拟式电传操纵系统的飞机2）电传操纵系统的发展：数字技术的发展，更小、更密集和更有效的大规模集成电路的发展，推动了数字式电传系统的应用。1978年，美国已开始将数字式电传系统用于F-18战斗机，但该机仍保留有机械备份系统。在此期间，英国采用一架“美洲虎”战斗机作为研究电传操纵系统的验证机，该机装有四余度数字式电传操纵系统，于1981年首次试飞，这是第一架无任何机械备份的数字式电传操纵系统的飞机。2）电传操纵系统的发展：80年代中期，美国利用AFTI/F-16验证机所用的数字式电传系统的改型，重新装备了F-16C/D型飞机。该电传系统为四余度双故障/工作的系统，采用四余度的数字备份系统。系统的体积比模拟式系统降低了2/3。由于电传操纵系统比机械操纵系统具有许多无可比拟的优点并且随着科学技术的发展，电传操纵系统所亟待解决的某些问题已逐步得到了解决，所以，从80年代以来，电传操纵系统获得了极大的发展，许多新研制的军用及民用飞机均采用了电传操纵系统。2）电传操纵系统的发展：80年代开始研制的瑞典的JAS39“鹰狮”战斗机,采用了数字式全电传操纵系统，该系统没有机械备份系统，是一种具有“非相似余度”并作为最后备份的三个模拟通道的三通道数字系统。1986年投入商业运营的空客A320飞机是带有机械备份的数字式电传操纵系统，采用双一三共五套非相似余度的数字计算机，可以保证其中任何一套计算机正常工作时飞机安全飞行。90年代中期投入运营的B777飞机也采用了数字式电传操纵系统，利用人工应急机械配平系统作为系统最后备份系统。俄罗斯生产的su-27战斗机是一种四余度模拟式电传操纵系统，可实现双故障/工作，该系统无任何备份系统7.1.2余度技术（1）可靠性指标就一般的产品或系统来说，可靠性的定义为，产品在规定的使用条件下，在规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性的基本特征量主要有：①可靠度函数：即产品在规定的使用条件下，在规定的时间内，完成规定功能的概率，或定义为，产品工作到某一时刻之前不发生故障的概率。②累积寿命分布函数（累积故障概率或不可靠度）：它表示产品的寿命比规定时间t短的概率，也就是产品在t时间以前发生故障的概率③平均寿命：产品寿命的平均值。对不可修复的产品来说，又称为平均无故障时间。对多数可修复产品，则用平均无故障间隔时间表示即“MTBF”(Meantimebetweenfailures)。（1）可靠性指标飞机电传操纵系统的可靠性，依军用规范规定，主要由下述几个可靠性指标描述：1）基本可靠性：70年代初期，国外在新飞机设计中将平均无故障间隔时间（MTBF）作为飞控系统可靠性指标。对电传操纵系统，为满足飞机飞行安全可靠性要求，一般都采用多余度系统，在当前技术水平下，四余度电传操纵系统的基本可靠性的目标值（固有值）大约为250小时左右。实际上，基本可靠性除反映组成系统单元的可靠性外，主要反应了对系统维修和后勤保障要求。（1）可靠性指标通常余度套数增多，出故障的可能性增多，基本可靠性（即MTBF）就越低，因此，就要增加维修工作量。余度套数增多，只能提高执行任务的可靠性，即在执行任务期间，保证有足够高的可靠度，达到任务可靠度要求因此，在电传操纵系统设计时，应对任务可靠度与基本可靠度间进行权衡考虑。对数字电传操纵系统，若采用在线监控技术，其余度数可降为三套，这时MTBF可达到350飞行小时。（1）可靠性指标2）完成任务可靠性：电传操纵系统，由于有关工作单元故障造成的每次飞行任务失败概率，定义为完成任务可靠性。国外有关军用标准规定：①如订货方未提出对飞机总的完成任务可靠性要求，规定电传系统的完成任务可靠性要求为：/每次飞行任务②如订货方规定了飞机总的完成任务可靠性要求，则电传操纵系统的任务失败概率QM为：QM≤（1-RM）AM式中RM为飞机完成任务可靠度，AM为电传操纵系统任务失败概率的分配因子（由承包商确定）。5101（1）可靠性指标3）飞行安全可靠性：电传操纵系统，由于有关工作单元故障造成的每次飞机损失概率应不超过：①如订货方规定了对飞机总的失效概率，则由电传操纵系统故障引起的飞机每次飞行损失概率QS应不超过：QMS≤（1-Rs）As式中Rs为全机总的飞行安全可靠度，As为电传操纵系统的飞机损失概率的分配因子（由承包商确定）。（1）可靠性指标②若订货方没有给出全机总的飞行安全可靠度，目前，国外电传操纵系统飞机损失概率的目标植为/飞行小时，这样的安全可靠要求与机械操纵系统相比较，在数量级上是相当的。7101表7.1电传系统部件和装置的可靠性装置及部件名称故障率(10-6/小时)陀螺加速度计线性可变差动变压器数字计算机803510330计算机模拟输入接口100-150大气数据计算机(带自检的双重系统)电源系统助力器500.0020.5（1）可靠性指标对电传操纵系统来说，要实现上述安全可靠性指标是困难的。对单套电传操纵系统来说，由于它是由众多的电气电子部件构成的，尽管每个部件的可靠性已经很高，组合起来形成的系统，其可靠性指标仍然难于提高，通常仅能达到/飞行小时。为了进一步提高单套电传操纵系统的可靠性，努力提高系统元部件的精度和可靠性是一个重要的方面，然而，这种方法是有限的常常是付出的代价很大，可靠性提高的并不显著，也达不到要求的可靠性指标。为了实现电传操纵系统的可靠性指标，目前采用的主要方法是使用余度技术。31021（2）余度技术现代飞机的电传操纵系统，一方面必须要能可靠地实现原机械操纵系统对飞机的不同操纵；另一方面更为重要的是，电传操纵系统还采用杆指令的前馈信号以及各种不同形式的反馈信号，使飞机具有不同的响应特性以及优秀的飞行品质。为了实现对飞机的可靠操纵和在整个飞行包线内具有所要求的响应特性和优秀的飞行品质，系统的安全可靠性对于研制和开发电传操纵系统来说是十分重要的。而解决系统安全可靠性最有效的方法就是采用余度技术。（2）余度技术1）余度技术定义：所谓余度技术，即用多重可靠性较低的相同或相似的元部件组成可靠性较高的系统，一般称其为冗余系统。如何构成余度系统并使其达到所要求的可靠性指标以及使系统成本降低，这是采用余度技术需要深入研究的问题应当指出，现今的电传操纵系统多数为数字式系统，因此，系统的可靠性除了硬件可靠性外，还存在软件可靠性问题。（2）余度技术余度系统应满足下列三个条件：①对组成系统的各个部分具有故障监控、信号表决的能力。②一旦系统或组成系统的某部分出现故障，应有故障隔离能力即应有二次故障能工作的能力。③出现故障后，系统能重新组织余下的完好部分，具有故障安全能力，并在少量降低性能指标的情况下承担任务。可见，采用余度技术的实质是通过消耗、应用更多的资源换取可靠性的提高。（2）余度技术2）余度技术的类型及分类：从余度结构分，有三种型式：①无表决无转换的余度结构：这种系统，当结构中任一部件故障时，不需要外部部件完成故障的检测，判断和转换功能如并联开关系统；②有表决无转换的余度结构：这种系统需要一个外部元件检测和作出判断（即表决），但不要完成转换功能，如多数表决逻辑系统；③有表决有转换的余度结构，这种系统需要一个外部元件检测判断、并转换到另一个通道或系统，以代替故障通道或系统，如备分式余度等。（2）余度技术从余度系统运行方式划分，有两种型式：①主动并列运行，这种系统有多重系统同时并列工作，由表决器信号选择器输出经过选择的正确信号。表决器具有信号选择功能，如取中值，均值、次大、次小等，可用软件实现这种系统又称为表决系统。该系统又分整机余度与分机余度两种，如图7-1所示。（2）余度技术图7-1主动并行运行余度型式（2）余度技术②备用转换运行，这种系统中一个或部分分系统工作，其余分系统处于备用状态。当工作的分系统有故障时，通过监控装置检测出故障并转换至备用的完好分系统，使系统继续正常工作。这种系统又分为热贮备系统与冷贮备系统两种。前一系统与工作系统处于同步随动状态，但输出不起作用。后一种系统处于中立位置,仅在转换时才启动工作。从上述分类中可见设计余度系统时，主要是解决余度数和表决、监控的设置及运行方式。四余度模拟式电传操纵系统杆力传感器A传感器A杆力传感器B传感器B杆力传感器C传感器C杆力传感器D传感器D综合补偿器A综合补偿器B综合补偿器C综合补偿器D表决器/监控器A表决器/监控器B表决器/监控器C表决器/监控器D舵回路A舵回路B舵回路C舵回路D助力器故障逻辑故障逻辑故障逻辑故障逻辑[四余度杆力传感器]―接收驾驶员指令输入信号[四余度传感器]―含