商用客机偏航阻尼器控制律设计与仿真

岳峰　徐宏哲　张兆亮

摘 要：基于商用客机偏航阻尼器的特点，介绍了其基本功能，并设计了一种通用的偏航阻尼器控制律，同时给出了控制律架构并提出了控制性能指标。最后通过对控制律的频域和时域进行数值仿真验证了控制律对性能的满足，并表明此偏航阻尼器控制律可以有效地对飞机荷兰滚特性进行抑制并提供很小侧滑的协调转弯功能。

关键词：偏航阻尼器；控制律；冗余度；频域

引言

商用飞机飞行过程中会受到大气扰动，而这种扰动必然会引起飞机横向姿态的变化，飞机横向会发生摇摆运动，该运动是由多个方向的运动耦合叠加而成。其中滚转模态下飞机表现为迅速衰减的滚转运动，一般总是稳定的；螺旋运动模态下飞机表现为非常缓慢的螺旋下降运动，驾驶员可以通过操纵飞机避免进入尾旋，而荷兰滚模态下飞机表现为短周期的快速周期性摇摆运动，姿态参数变化较为剧烈。商用飞机通常采用改善气动布局和主舵面的结构等手段使飞机横向具有较小的阻尼对荷兰滚进行抑制，使得飞机在横方向上的运动收敛[1]。

1 偏航阻尼器控制律设计

为了抑制飞机横向扰动情况下的荷兰滚，偏航阻尼器通常使用惯性导航系统反馈的偏航角速率作为控制信号，根据偏航阻尼器的控制律计算出方向舵偏转指令。由于方向舵偏转产生的附加力矩与飞机偏航运动方向相反，阻止飞机偏航运动，从而抵消荷兰滚模态下的偏航角速率，改善荷兰滚阻尼比。另外，为了给飞机提供协调转弯功能，偏航阻尼器使用航电系统传输过来的横滚角速率作为控制信号，通过相应的控制律计算方向舵偏转指令。为了进一步提高协调转弯性能，有些飞机的偏航阻尼器引入横向加速度作为控制信号，消除飞机转弯过程中的侧滑角[2]。

传统的偏航阻尼器内部通常采取简单的查表法，将飞机状态量作为控制输入。这种控制模式在一定程度能够抑制飞机荷兰滚并改善协调转弯性能。然而，当飞控计算机前向通路存在扰动或误输入倍脉冲蹬舵信号时，初始时刻会使飞机产生较大的偏航角速率与横滚角速率，荷兰滚现象比较明显，严重影响飞机的横向飞行品质，而且协调转弯时的侧滑角也变大。为了有效抑制荷兰滚并进一步提高协调转弯性能，文章提出的偏航阻尼器功能的计算由自己的计算模块完成，通过改变方向舵偏度，以达到协调转弯和抑制荷兰滚的作用。

此偏航阻尼器由偏航角速率反馈以及侧向过载反馈构成，以改善飞机的荷兰滚运动阻尼，增强航向的稳定性。并采用副翼指令方向舵交联，其主要目的是当副翼偏转进行转弯时，偏转方向舵提高飞机的协调转弯性能，减少转弯过程中的侧滑。

YD指令计算的简化输入为滚转角、偏航角速率、指示空速和真空速共4个参数，并利用滚转角速率、俯仰角、侧向加速度、垂直速度、垂直加速度、方向舵偏度共6个参数完成指令修正和系统监控功能，经过简化的偏航阻尼器控制律如下公式所示。

其中YDcommand是偏航阻尼器输出的控制指令，YawRate是偏航角速率，F1（*）和F2（*）分别是对真空速（TAS）和指示空速（IAS）的线性插值函数。在真空速和指示空速一定的情况下，偏航阻尼器指令主要由滚转角和偏航角速率决定。

同时为了避免转弯过程中产生过大的侧滑而引起令人不适的侧向加速度，通常引入协调转弯控制来保证在转弯的过程中，侧滑角较小，及滚转与偏航运动两者之间的耦合最小，同时还可以与纵向控制系统交联，保证转弯过程中不掉高度。

2 偏航阻尼器控制律仿真评估

为了评估此偏航阻尼器的控制性能和相应特性，需要建立横向运动闭环控制回路。该回路包括偏航阻尼器模型、方向舵控制前向通道模型、飛机横向运动模型[3]。

在基于小扰动激励分析法的飞机模型中，包括飞机纵向运动模型和飞机横向运动模型。偏航阻尼器主要用于飞机横向运动的控制，需要采用飞机横向运动模型进行验证。由于飞机存在较大的横向滚转阻尼，滚转角速率响应较慢，影响协调转弯性能。为此增加横滚控制回路，提高横滚响应性能。因此，闭环控制回路中飞机横向运动模型包含了横滚控制内回路。

通过仿真偏航阻尼器控制律的时域特性，对此控制律的响应性能进行评估。

3 偏航阻尼器控制律时域仿真

偏航阻尼器的时域仿真包括侧滑角扰动特性仿真及协调转弯仿真，以验证控制律设计是否满足时域设计要求，及是否能够完成要求的功能。

此偏航阻尼器控制律可以很好地抑制飞机荷兰滚。另外，飞机侧滑角的最大峰峰值、振荡次数、稳定值也满足控制性能要求，通过仿真结果表明此偏航阻尼器控制律满足各项控制性能要求，同时也对飞机的横向特性进行了有效的改善。

4 结束语

文章基于对商用客机横向操纵特性的分析，设计了可以抑制荷兰滚和协调转弯功能的偏航阻尼器控制律，并给出了基本的偏航阻尼器架构和计算原理，最后通过对控制律的时域进行仿真分析证明此控制律符合偏航阻尼器性能指标，使用此控制律可以有效地对飞机荷兰滚特性进行抑制并提供很小侧滑的协调转弯功能。

参考文献

[1]GIBSON， J.C. The Definition， Understanding and Design of Aircraft Handling Qualities[M].Delft University Press，1997

[2]吴文海.飞行综合控制系统[M].北京：航空工业出版社，2007.

[3]申安玉，申学仁，李云保，等.自动飞行控制系统[M].北京：国防工业出版社，2003.

作者简介：岳峰（1982-），男，山西朔州人，硕士，工程师，研究方向：飞行导引系统设计。