飞行模拟器自动飞行控制系统设计

飞行模拟器自动飞行控制系统设计

孟凡铎

天津华翼蓝天科技股份有限公司天津300384

摘要：自动飞行控制系统是由自动驾驶仪和自动油门取代人工操纵，保证飞行品质，降低了飞行员的工作量。介绍了自动飞行系统的组成，功能。在飞行控制系统的自动测试中,飞行控制接口信号是必需的。论述了飞行控制接口信号的模拟方案,并详细介绍了信号模拟器的软硬件工作原理。

关键词：自动飞行控制系统；飞行模拟器；系统设计

1前言

自动飞行系统，是指自动驾驶仪以舵回路稳定系统为主，配合无线电导航，惯性导航的航向指令输入，增加姿态控制回路，和自动油门结合后形成的完整的控制系统。飞行仿真器中，自动飞行系统仿真的任务是要用相应的软件模块与仿真设备来仿真飞机自动飞行系统的功能。随着机载计算机广泛的应用,各机载电子设备之间的联系越来越紧密,飞行控制系统所接收的信号越来越多,这虽然大大加快了航空电子综合化的进程,然而也给飞行控制系统设备的测试带来了困难。由于缺乏与被测试部件相关的飞行控制接口设备,使得很多测试工作难以进行。因此,研制飞行模拟器自动飞行控制系统就变得十分有意义。

2自动飞行控制系统基本概念

2.1自动飞行系统组成

自动飞行系统是飞机飞行系统的重要组成部分,由自动驾驶仪，自动油门与飞行方式控制面板组成。自动驾驶仪是一种不需要飞行员干预就能保持飞机飞行姿态的自动控制设备。他是自动飞行系统的核心部件，主要用于稳定飞机的俯仰角、倾斜角和航向角,稳定飞机的飞行高度和飞行速度,操纵飞机的升降和协调转弯。还可以与导航系统交联进行自动导航,与地形雷达交联进行地形自动跟踪,与仪表着陆系统交联进行自动着陆。此外还有增稳、自动配平，高度报警的作用。自动驾驶仪主要由操纵装置、测量装置、综合装置、放大器、舵机和回输装置组成。自动驾驶仪的原理如图1所示。

自动驾驶仪发出信号控制舵面偏转,产生舵面操纵力矩,实现对飞机的操纵,而后飞机改变飞行姿态,通过测量装置改变自动驾驶仪的输出信号,这样反复作用,最后达到平衡。自动油门根据飞行员选定的模式，计算出油门杆驱动信号，使油门杆位置自动调整到保证发动机推力处于最佳配置状态。方式控制面板提供飞行员操作的各种开关、按钮以及参数选择。

3自动飞行系统控制原理

自动飞行控制系统主要有纵、横向两个控制通道。纵、横向控制器的作用是计算飞机的俯仰角和滚转角指令信号，作为驱动飞机运动的指令信号。

3.1俯仰通道控制原理

无论系统工作在哪种工作模式下，纵向控制的目的都是消除飞机对基准状态的偏差，通过俯仰角、迎角、升力、阻力、空速之间的关系实现飞行模式的控制。基本的控制规律：俯仰角增加→迎角增加→升力增加→阻力增加→飞行速度减少。所以，当飞行高度高于或低于基准值时，应控制飞机下俯或上仰；当升降速度低于或高于基准值时，应控制飞机上仰或下俯；当指示空速低于或高于基准值时，飞机应下俯或上仰。

3.2横滚通道控制原理

横滚飞行方式下工作模式包括航向保持模式，横向导航模式，VOR/LOC无线电导引模式，进近模式。航向保持与横向导航模式，是控制飞机的滚转角来控制飞机的航向。当飞机偏离给定的基准航向时，控制副翼，让飞机倾斜，产生侧力，使飞机转向基准航向。VOR/LOC无线电导引模式，进近模式是来控制飞机的航迹的。在航迹控制模式下，应控制飞机的重心移向给定的航道。为此，使飞机倾斜产生侧向力，在消除侧向距离偏差的同时，使飞机的速度向量转动，最终控制飞机的重心始终保持在要求的航道上。

3.3配平系统控制原理

配平系统包括，水平安定面自动配平系统，速度配平系统和马赫数配平系统。

3.4偏航阻尼器控制原理

当飞机荷兰滚模态的阻尼不足时，一般采用偏航阻尼器引入偏航速率信号作为反馈以增强荷兰滚模态的阻尼。这是改善荷兰滚阻尼的有效手段。有了偏航阻尼器，驾驶员在操纵飞机时可以减少很多困难，尤其在扰动气流中飞行更是如此。偏航阻尼器的设计理论是用偏航速度处理与横滚角增益有关的外洗，提供协调转弯信号，处理与空速增益有关的外洗。积分反馈通道将偏航角速度闭环起来，用于减小横滚。

4飞行模拟器纵向电传飞行控制系统设计

电传飞行控制系统是飞行模拟器飞行仿真软件系统中一个极其重要的组成部分，其仿真逼真度直接关系到整个仿真系统的逼真度，其控制规律设计的好坏也直接影响了整个飞行模拟器的飞行品质。电传飞行控制系统有升降舵、副翼和方向舵三个通道，对其进行仿真主要是解算杆力、关系系和飞控系统闭环控制脚蹬力与舵面偏角的关：电传飞行控制系统以座舱内飞行员对驾驶杆、脚蹬的操纵力为输入指令信号，在与传感器测量并反馈的飞行运动参数叠加后，由计算机中相应的控制律解算出舵偏角，通过机和助力器改变各舵偏角，从而改变模拟器的各运动参数，实现对模拟器的操纵。由于电传飞行控制系统与飞机的仿真模型形成一个闭环系统，具有完善的前置回路和反馈路，因此能够改善飞行模拟器的飞行品质，满足性稳定性、操纵性、机动要求。

4.1最优二次型方法设计方法

目前，主要有古典和现代控制理论两种方法被常用于飞行控制系统设计中。古典方法主要为频域分析法和根轨迹法，现代控制理论方法有最优二次型方法、LQG/LTR方法、特征结构配置方法、定量反馈方法、非线性系统动态逆设计方法和现代鲁棒设计方法等。结合飞行模拟器飞机仿真模型的纵向和侧向运动特点和各控制系统设计方法特点，本文选用隐模型跟踪最优二次型方法进行飞行模拟器的纵向电传飞行控制系统控制律主设计，使用古典方法设计高、低通滤波器，侧向控制律设计选用了特征结构配置方法。

5飞行模拟器侧向电传飞行控制系统设计

侧向电传飞行控制系统有副翼和方向舵两个通道，耦合性较大，因此，在选择系统设计方法时应考虑到这一点。根据飞机侧向和螺旋模态滚转模态、荷兰滚模态的一级飞行品质要求，采用置输出反馈的特征结构配方法设计飞行模拟器侧向电传飞行控制系统，并对完成的系统进行仿真分析研究。

6飞行控制接口信号模拟器设计

飞行控制接口信号模拟器的软件系统,分为上位机软件模块和下位机软件模块,上位机软件模块由于涉及到模型解算并提供人机界面等功能,采用VC6.0面向对象编程,界面风格类似于WIN98。在人机界面中,飞行控制接口信号按种类不同被制成“总线信号”、“同步器信号”、“模拟信号”、“离散信号”、“频率信号”等下拉菜单,用户只要在飞行控制接口信号名称下键入输出值即可,同时在屏幕下方显示该信号的输出电缆标号。下位机软件模块采用汇编语言编程,以提高系统实时性。需要指出的是:该系统以中断方式工作,当用户改变飞行控制接口信号的输出值后,上位机立即向下位机申请中断,下位机响应中断并将飞行控制接口信号的输出值放入输出数据表中。下位机在一个信号输出周期内,自动把该表内的值作为输出值输出。如果用户不输入新的数据,则按上次该信号的数据输出信号。

7结语

为实现飞行模拟器自动飞行控制系统各种功能，本文简介了飞行模拟器自动飞行控制系统的组成和基本原理，并在此基础上阐述了飞行模拟器纵向电传飞行控制系统设计、飞行模拟器侧向电传飞行控制系统设计以及飞行控制接口信号模拟器设计。以期为飞机的相关控制系统的研究提供有价值的资料。

参考文献

[1]王森杰.民航飞行模拟器发动机控制系统建模研究[D].南京航空航天大学,2013.

[2]栾志博,郑淑涛,李洪人.飞行模拟器自动着陆系统的建模与仿真[J].计算机仿真,2011,(05):47-51.

[3]栾志博.飞行模拟器数字飞行控制系统建模与辅助训练的实现研究[D].哈尔滨工业大学,2010.

[4]刘福龙.飞行模拟器自动驾驶仪的研究与开发[D].哈尔滨工业大学,2007.