一种基于模型对比的飞控系统稳定裕度试验方案

郭腾飞+王越之

【摘 要】现代民机多采用电传飞控系统，通过增稳反馈回路改善飞机本体的阻尼和频率特性。闭环的飞控系统不仅需要满足模态特性、操纵稳定性的设计要求，还需要满足稳定裕度指标。本文针对单回路的闭环飞控系统，提出一种基于模型对比的稳定裕度试验方案，可以在验证稳定裕度是否满足设计要求的同时，在频域范围内确认闭环系统模型建立的正确性。首先，建立非线性桌面仿真模型，并通过测试向量，对各系统模型进行修正完善；其次，通過分析获取飞行包线内需要进行稳定裕度评估的飞行状态点，并在桌面仿真中注入扫频激励信号，通过数据处理分析得到闭环系统的稳定裕度；最后，在地面试验阶段，注入同样的扫频激励信号，得到真实系统的稳定裕度。桌面仿真及地面试验结果，表明了该试验方案的可行性。

【关键词】电传飞控；稳定裕度；扫频

【Abstract】Fly by wire flight control system are widely used by modern civil aircraft， which could improve damping and frequency characteristics through feedback loop. Closed loop flight control shall not only meets the design requirements of model characteristics， stability， but also the requirements of stability margin. A stability margin test plan based on model comparison is proposed in this article， which could verify the stability margin requirements， and check the correctness of model. Firstly， nonlinear simulation model is built and shall pass test vectors. Secondly， flight condition points are chosen and simulated through frequency sweeping method. Finally， the same frequency sweeping signal is injected in test to obtain the stability of real system. Simulation and test results show that the feasibility of this test plan.

【Key words】Fly-by-Wire； Flight control stability margin； Frequency sweep

0 引言

对于闭环控制系统，考虑到气动建模的不确定性、舵机回路的不确定性等因素，在整个使用飞行包线内，在最不利的重心位置、质量分布和外挂方案的飞行条件下，以及在地面工作中都必须满足规定的稳定裕度要求。文献[1]MIL-F-9490E，针对不同的频率范围，提出了分段的幅值裕度和相位裕度的要求。为评估闭环系统的稳定裕度，文献[2]在扫频方法及数据处理方法上进行了大量研究工作。

本文针对单回路的闭环飞控系统，提出一种基于模型对比的试验方案。考虑到在地面试验验证阶段，飞控计算机、总线、作动器等真件已经到位，因此，真实系统的特性可以通过试验测得，并反映到仿真模型中。在评估闭环系统的稳定裕度前，进行闭环回路各系统的模型对比，通过设计测试向量，对各系统模型进行修正完善；

1 基于模型对比的试验方案

该试验方案与桌面仿真模型密切联系，遵循从模块-功能-系统的测试流程：可以增强对仿真模型的信心，并提高试验效率，增加试验结果的说服力，如图1所示。

2 试验考虑

a）信号注入方式

扫频信号可以在传感器处注入，也可以选择在作动器前端注入，其扫频幅值的选择，既要保证不能太小导致无法通过死区等非线性环节的影响，也不能过大以免超出作动器的工作能力范围。

b）系统故障模式

试验需要作动器不同工作模式（主主，主备）对稳定裕度的影响，考虑液压失效对稳定裕度试验的影响。

c）其他考虑

在飞行包线内特定状态点进行扫频试验时，通常不希望扫频时状态点的速度和高度变化太大，以至于影响分析结果，需要对扫频方式及六自由度方程进行一定的处理。

3 试验算例分析

本文采用波特和尼克尔斯技术对单输入单输出系统的稳定裕度进行测定。如图2所示。模型仿真与铁鸟试验结果吻合。

4 结论

本文提出了基于模型对比的稳定裕度试验方案，该方案经过分析，可以用于指导飞控系统地面频域试验。

【参考文献】

[1]MIL-F-9490E Flight control systems-Design， Installation and Test of Piloted Aircraft.

[2]Mark B.Tischler Demonstration of frequency sweep testing technique using a bell 214-st helicopter， NASA Technical Memorandum，1987.

[责任编辑：朱丽娜]