方向舵结构限制器设计在飞控系统控制律设计中的考虑

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摘 要：所谓的结构限制器，是民机在飞控系统控制律设计时，根据飞机结构最大限制包线，在控制律设计中设计的一条限制曲线，控制飞机各控制面的最大偏度不会超过当前构型下的结构限制。本文以某型飞机方向舵控制律设计为例，分析了结构限制器在控制律设计时应考虑的问题和处理方法。

关键词：民机 控制律 结构限制器 方向舵

中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0097-02

方向舵控制系统是在不同飞机构型下，根据空速调节脚蹬到舵面的控制增益，保证在全空速范围内具有良好的操纵品质；同时，根据空速对方向舵的行程进行限制，以限制方向舵对垂尾的载荷。方向舵控制增益和行程限制是两个独立的功能，且都是空速的函数，计算采用的空速来源相同，均受空速误差的影响。当用于控制律计算的空速小于实际空速时，方向舵控制增益大于其理论值，当满权限操纵时，气动载荷可能会超出结构强度限制，且这时的限制行程也因空速误差而增大，不能对空速误差引起的方向舵偏度超限进行限制。反之，空速系统提供的空速大于实际空速时，方向舵控制增益小于其理论值，影响方向操纵能力。

1 方向舵限制器控制

1.1 方向舵控制限制

飞控系统控制律设计，首先应需满足操作机动性的需求，这里的操作机动性要求，除了考虑正常飞行的操作机动性要求外，还需考虑出现故障时如单发失效、模式降级等情况的要求，如一般单发失效时方向舵会进一步放开其操作权限，以进行单发失效推力补偿。方向舵控制限制的取值即是在综合考虑各种情况后，取偏航轴向舵面控制的最低要求。在控制律的设计和实现中要保证方向舵舵面的控制权限不会降低到控制限制曲线以下，表1为某型飞机根据风洞数据得到的第一轮方向舵控制限制情况。

1.2 方向舵结构限制

方向舵结构限制是在风动数据基础上的计算结果，表2即为某型飞机在风洞数据基础上计算得到的方向舵结构限制情况。

为便于直观分析查看结构限制和控制限制的情况，将两张表整理如图1所示。

2 方向舵控制限制和结构限制的重构

虽然在上文中提出了方向舵的控制限制和结构限制，但这些限制并不能直接拿来作为方向舵结构限制控制律来实现，因为上述限制都是理论计算的结果，而从飞机级数据到系统级设备实现，都是有误差影响的，这些误差虽然不大，但是经过累计计算会发现，如果在限制器设计时不考虑这些误差影响，很有可能会导致操作权限不够或舵面偏度超出结构限制的情况。

这里所说的误差主要考虑系统实际的控制误差和飞机速度（空速）误差，其中系统的控制误差可以通过系统误差分析得到；空速误差的影响需要考虑对空速正误差和负误差分别作考虑，当考虑正误差时应保证最小控制能力，而强度校核时，应考虑空速负误差引起的气动载荷增大，误差叠加方式如下：

误差=系统精度+空速误差引起舵面误差+其它可能的舵面误差

基于以上情况，方向舵控制和行程限制需求的重新分析和更改按以下原则进行。

（1）使用空速精度，同时结合失效率考虑空速系统故障的影响。1路空速故障在比较门限内、全权限操纵脚蹬时，方向舵、垂尾载荷不应超出限制载荷。（2）考虑最小控制能力需求时，使用实际空速精度。（3）确定最小控制能力和行程限制要求时，考虑影响舵面偏度的系统误差。（4）方向舵行程限制仅考虑可正常执行正常控制律和单发停车时的控制律，可不考虑各种增强指令信号的叠加。（5）方向舵控制权限在满足适航要求的提前下，还应考虑适当增加抗侧风能力。（6）首先按控制要求确定控制增益和行程限制，并在飞控控制律中实现，用于此后的试飞。

在原结构限制基础上减去舵面偏差 误差即可得到控制律中可使用的舵面结构限制曲线，在原控制限制基础上加上舵面偏差误差即可得到控制律中可使用的舵面控制限制曲线。已某机型为例，按照该方法对上述表1和表2数据进行重构后，得到的结构限制曲线和控制限制曲线如图2，其中限制曲线2即可用于控制律设计中结构限制器的最低标准，而控制曲线2可用于校核最终的控制律是否满足最低操作控制要求，即飞控系统方向舵的控制律曲线应介于控制曲线2与限制曲线2之间。

3 结论

精度是飞控系统控制律结构限制器的主要影响因素，它不仅包括飞控系统本身的精度，还包括了飞机级参数的精度，本文示例重点考虑了空速和系统精度，在实际设计过程中需要根据飞机型号实际的控制律框架考虑，任何对舵面控制有影响的参数，都需要根据实际情况来分析。在飞机的研制过程中要时刻关注这些参数的变化，如果某一参数发生了变化，需要即时分析以确定其对控制律的影响。