等效模型电传直升机预估飞行品质试飞方法

张宏林

(中国飞行试验研究院飞机所，陕西 西安 710089)

0 引 言

随着世界直升机技术的发展，电传直升机由于其独特的驾驶品质在直升机领域得到了广泛的认可。相比传统的机械操纵直升机，直升机电传飞行控制系统的主要目的是通过先进的控制律设计提高直升机的飞行品质，减轻试飞员的操纵负担。直升机电传飞行控制系统设计采用显模型跟随设计技术，通过指令模型控制并跟踪直升机响应[1-2]。电传直升机飞控系统在研制阶段，都是经过了大量的实验室试验，保证飞行控制系统的设计参数设置、系统软硬件等状态已达到装机状态。但由于实验室条件与空中实际使用环境之间存在的差异，在实际飞行品质试飞中会受多种因素影响，包括驾驶员的操纵耦合、超调响应、时延，试飞环境的气流扰动、大气温度，试飞质量、温度、高度及设计输入方式，这些因素都会影响飞行试验结果，不可避免地影响试飞效率及试飞结果的准确性。一般通过设计标准输入动作、限制试飞条件等尽可能的弱化其影响，但仍不能做到完全消除影响[3]，导致在实际飞行状态下难以完全达到研制要求规定的技术指标，需要通过大量的飞行试验逐渐满足技术要求，达到验证状态。

为准确快捷地获得所需的试验结果指标参数，本文结合飞行试验，提出基于等效模型的电传直升机预估飞行品质试飞方法，并对该方法有效性进行验证。

1 等效模型的试飞方法分析

等效模型辨识，是直升机系统辨识的重要内容，等效模型相比传统直升机的经典气动模型更适用于单输入单输出响应。基于等效模型辨识涉及参数少，便于进行的飞行品质科目的量化评估,目前在直升机控制律设计、验证、飞行品质研究和飞行性能测试等领域有广泛应用[4-5]。ADS-33E是目前国际上最新版本的军用直升机飞行品质规范，该规范强调了针对直升机的作战和使用能力的考核。美国、欧直的新型电传直升机的研制和试飞都采用了ADS-33E。规范要求了37项开环科目进行预估飞行品质考核及 23 项闭环任务科目进行认定飞行品质考核，以确保直升机能有效执行各种飞行任务，其中37项开环科目的预估品质评定准则大多能够通过典型的单轴等效模型给定[6]。

与传统直升机相比，电传直升机飞行控制系统对直升机的飞行品质有着较大的影响，尤其是全权限的电传飞行控制系统依靠逆模型跟踪等现代控制理论极大的改善了直升机的飞行品质特性，也可以较为容易的按照飞行品质和动力学特性的要求设计各种响应类型的控制律，而控制律设计是保证系统功能和直升机飞行品质实现的最直接、最重要的关键环节之一[2]。其中，ACAH响应是目前国内电传直升机定义的一种主要使用模式。在该模式下直升机的姿态变化和杆偏移成比例，当在配平姿态时，可以通过姿态保持稳定直升机，飞行员不必执行姿态稳定。使直升机在增大稳定性的同时，仍具有一定的机动性，典型ACAH响应控制律框图如图1所示[7]。基于建立的等效模型对ACAH响应试飞结果进行等效辨识，拟配结果如图2所示。

图1 ACAH响应控制律框图

图2 ACAH响应类型试飞曲线

其中，Kp为反馈增益，Ks为前馈增益，Ts为角速率响应时间常数，为速率响应增益。对一个姿态指令控制系统，模型通常采用二阶形式，如式（1）所示：

由拟合结果可以看出，ACAH响应的试飞结果与理论等效模型拟配曲线基本一致，二者的拟合精度r2达到99%。按照品质规范要求，二者r2偏差小于3%则辨识结果满足试飞要求[8]，说明该方法适用于电传直升机的飞行品质试飞。目前电传直升机的基本控制设计，通常都具有典型的低阶响应模态，适合采用低阶等效模型的方法。因此，对于电传直升机典型开环科目的预估飞行品质考核，可采用先将其拟配为等效模型，再进行飞行品质等级的评价的方法，具体飞行试验流程如图3所示。

图3 基于等效模型的飞行试验流程

2 飞行试验与分析

2.1 飞行试验

本文结合某型直升机飞行试验，以姿态敏捷飞行品质试飞为例对该方法的有效性进行验证。

试验以某型直升机为试验机，该型机安装有全权限电传飞控系统，实现对直升机的飞行状态控制。该直升机的飞控系统设计采用了姿态控制/保持（ACAH）及速率控制/姿态保持（RCAH）响应类型设计，其中ACAH是直升机的主要使用模式。本文进行的试验结果及分析是均基于ACAH响应类型进行的。姿态敏捷指标作为直升机飞行品质试飞的重要部分。通过角速度峰值与姿态变化峰值之比(Δp/Δϕ)随最小姿态改变量(Δ ϕmin)的变化对直升机完成诸如追随跟踪所要求的迅速、精度姿态变化能力的进行评价[8]。

飞行试验高度选取相同地效外高度层稳定悬停，保障初始配平条件一致。由初始配平状态进行横向压杆快速阶跃操纵输入，阶跃操纵输入幅值由低到高，通过改变幅值获得不同的最小姿态改变量()对应的角速度与姿态峰值之比()。试验过程试飞动作时间历曲线如图4所示；最终得到姿态敏捷响应试验结果如图5所示，图中“*”为推杆试飞结果，“。”为拉杆试飞结果。

图4 直升机姿态敏捷试飞响应曲线

图5 修正前直升机姿态敏捷响应结果

2.2 结果分析

姿态敏捷标准的背景资料与初始研究基于大量的仿真和飞行试验，试飞动作主要通过许多不连续的理想阶跃输入构成的[6]。但实际飞行试验中受人体生理因素条件的限制，不可避免的会出现超调、时延、非固持操纵等现象[9]，如图4即出现了典型的超调操纵输入。若直接对原始试飞数据进行评估，就会导致试飞结果的失真[10]。由图5所示数值偏差近150%，无法作为有效的试飞结果。

本文通过基于等效模型的飞行品质试飞方法，根据直升机的ACAH响应特性，选取二阶等效系统对直升机姿态响应类型进行辨识[7]。以操纵位移为输入，直升机姿态角的改变量为输出，通过参数辨识，获得目标操纵下直升机姿态敏捷试飞响应的等效模型如式（2）所示。

根据姿态敏捷飞行品质规范要求设计标准设计输入如图6所示[6]。将图6设计理想标准输入导入姿态敏捷等效模型（2）中，即可得到修正后姿态敏捷响应结果，如图7所示。由于修正了原始数据中超调等不利操纵引起的响应振荡，修正后实际的最小姿态改变量增大。同时，对应具有有较高的一致性，最大数值偏差不超过10%。由修正前后的试飞结果对比可得，明显原始结果具有较大的离散性，难以判读结果的准确性。通过基于等效模型的试飞方法修正后，消除了原始数据中的不利操纵，试飞结果明显具有较高的一致性，结果精度显著提高，符合电传直升机的姿态敏捷响应特性规律[11]。

图6 直升机姿态敏捷理想输入

图7 修正后直升机姿态敏捷响应结果

此外，基于等效模型的电传直升机预估飞行品质试飞技术已在电传直升机轴间耦合试飞及高原总距高度响应等试飞科目中得到了有效的应用[12-13]。基于该方法，可以有效准确的获得评价飞行品质所需的量化指标，便于对飞行试验结果的考核。

3 结束语

本文结合飞行试验结果，对基于等效模型的电传直升机飞行品质试飞方法进行了分析和验证，可以得到以下结论：

1)该方法基于试飞数据的高精度等效拟配模型，通过标准化的试飞动作设计对原始试飞数据进行修正，最大化消除实际试飞动作中因不利操纵等人为因素带来的响应，得到理想条件下的响应曲线，从而获得更为准确的试验结果，便于对电传直升机飞行品质的试验考核。

2)结合飞行试验验证了该方法对电传直升机飞行品质指标考核的有效性，通过该方法，可有效减少无效试飞架次，提高试飞效率。为后续变稳直升机试飞应用打下基础，为进一步加深开环耦合研究，建立驾驶员模型提供依据，为未来品质规范的编制、研究提供有效方法。