频响试验在飞控系统地面验证试验中的应用概述

郭腾飞　王越之

【摘 要】飞控铁鸟试验是进行电传操纵系统综合与验证，保证飞行安全和试飞等工作十分重要和必不可少的关键试验。本文对频响试验在铁鸟试验中的应用范围、测试输入等需要特别考虑的方面进行概述，以便充分发挥频率特性试验的优势，为地面试验顺利完成提供实践经验支撑。

【关键词】扫频；稳定裕度；结构陷波器

Frequency Response Test Application during Flight Control System Ground Test

GUO Teng-fei WANG Yue-zhi

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】Flight control test on iron bird is essential and crucial for fly-by-wire system integration and verification，which is used to make sure safe flight.The application range of frequency test and special consideration are illustrated，in order to take full advantage of frequency test to support ground test in practice.

【Key words】Frequency Sweep；Stability Margin；Notch Filter

0 引言

掃频是一种重要的获取系统频率特性的方法，通常在输入端注入一定频率和幅值的正弦信号，通过计算系统输出与输入的比值和相位差，即可得到系统的频率特性。扫频的方法有定频和变频扫频两种。定频扫频即注入的信号频率是固定的，一般为3～5个正弦波形，扫完后可以进行下个频率点的扫频，定频扫频精度高，时间长、但处理耗时，数据量大。变频扫频可以在有限时间内通过输入信号频率的变化，完成系统整个频带内的扫频，不需要完整的正弦波信息，变频扫频精度不及定频扫频，但省时省力，实时性好。可用于试飞飞行员扫频等场合。变频扫频的扫频方式有线性扫频、对数扫频、Schroeder扫频文献[1]等，可以根据对象特性和试验目的进行设计。

采用扫频激励的方法，获取系统的动态特性，具有能量集中，扫频范围灵活，节省时间等优点，广泛用于确认系统的开环或闭环频响与设计模型的一致性，也广泛用于系统中重要部件特性的测试确认，如作动器特性的测试等。

频响试验在飞控地面试验中广泛应用。针对具体试验科目的试验目的，通过设计不同的输入扫频信号，在感兴趣频率范围内充分获取对象的频率特性，包括飞控部件、整个闭环的频率特性及弹性飞机对象的频率响应特性。

1 验证子系统的频率特性

图1 结构陷波器离散化差异

a.作动器、传感器频率特性

作动器是飞控系统的执行部件，其动态性能在飞控系统动态性能中占据重要地位，影响操纵面和飞机对驾驶员操纵指令的响应。因此，通过扫频获得作动器的频率特性是飞控系统地面试验的重要一环。需要通过扫频试验得到作动器不同工作模式（主主、主备）的频率特性、间隙等非线性环节的指标和影响、气动载荷对作动器性能的影响。

传感器、如惯导等与飞控系统密切交联。通过扫频获得惯导的动态特性。

通过扫频得到飞控子系统及交联系统的频率特性，可以验证系统供应商的产品实现，是进行系统交联和飞控闭环试验的前提。

b.飞控电子部分端到端的频率特性验证

现在民机大多采用电传控制律，通常包括前向支路和反馈支路。前向支路是从杆到舵的直接链；反馈支路是传感器测得的飞机响应信号到舵面指令的支路，通过加入滤波器、调节反馈增益改善频率及阻尼比，通过加入结构陷波器，对传感器输出包含的弹性模态频率信号进行抑制。衡量结构陷波器的设计好坏的指标有陷波频率、陷波深度和陷波宽度。陷波器等滤波器在工程实现时，通常采用tustin变换，陷波中心频率和陷波深度会有一定的偏移，需要通过prewarping技术修正。因此，通过扫频，可以与桌面设计模型对比，验证飞控电子部分实现的正确性。

2 验证闭环飞机稳定裕度

稳定裕度是表征系统稳定程度的指标。美军标MIL-F-9490D[2]中规定了所有气动力闭合的飞行控制系统回路，相对于名义值的增益和相位的裕量要求。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应保持所规定的裕量。

闭环稳定裕度试验需要考虑的因素包括：气动加载、作动器不同工作模式的影响。如果扫频时间过长会导致飞机偏离原来状态点，则需要考虑锁定速度扫频。对于多反馈回路的飞控系统，需要分别考虑作动器处断开和传感器处断开的稳定裕度，由于作动器是飞控系统的执行机构，重要性不言而喻，其稳定裕度指标通常会高于传感器断开测得的稳定裕度。

3 验证等效延时

低阶等效系统方法是为了评价高阶增稳飞机的飞行品质而引入的一种方法，是目前评定或预测飞行品质的重要方法。高阶增稳飞机的低阶等效系统是指，两个系统在相同的初始条件及外界激励下，在一定频域范围内或时间区段内，相应的输出量差值在某个指标意义下达到最小，称该低阶系统为原高阶增稳系统的等效系统。该等效系统可采用频域或时域拟合技术求得。根据多年使用经验及军用规范，提倡使用频域拟合方法。

通常由飞行员在驾驶杆处提供激励或信号仿真器注入扫频信号，采集飞机响应参数，得到该通道的等效系统及等效延时。

4 其他应用

气动伺服弹性ASE是电传操纵飞机必须考虑的严重问题。是飞控系统与飞机结构模态、非定常气动力产生耦合后的表现形式。能否客观准确给出ASE稳定裕度，直接涉及包线扩展试飞的安全。结构模态耦合（SMI）试验试验目的是获取飞机伺服弹性稳定性特性，通常会在地面试验阶段进行，通过试验测得的结构模态特性，可以验证控制律部分结构陷波器的设计是否合理。

5 结论

频域试验是飞控系统地面验证试验的重要组成部分。本文给出了扫频在地面验证阶段频域试验中的具体应用，对于飞控系统的研制验证过程有一定的借鉴意义。

【参考文献】

[1]Tischler，Mark B，and Hemple，Robert K.Aircraft and Rotorcraft System Identification.AIAA Education Series，2007.

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

[责任编辑：田吉捷]