民用飞机横航向增稳系统设计研究

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摘 要：首先论述了增稳系统在大型客机高空、高速运行时的作用；然后介绍了三种横航向增稳控制系统方案，并分别对三种增稳方案的特点进行了描述，提出了在副翼通道中引入滚转角速率、侧滑角、侧向过载反馈以及在方向舵通道中引入偏航角速率、侧向过载、侧滑角反馈的横航向综合增稳控制方案；最后以B707为例设计了横航向增稳控制律，并进行了数字仿真和性能分析。该文对于大型客机型号研制中开展飞行控制系统的控制律设计具有一定的工程借鉴。

关键词：增稳系统 控制律 阻尼 荷兰滚

中图分类号：V21 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0007-03

Abstract：The Effect of Stability Augmentation System was firstly discussed.Secondly three kinds of the structure of the Lateral-directional Stability Augmentation Control System design schemes were introduced，and give the comparison of the advantages and disadvantages of these design schemes，and the Comprehensive Lateral-directional Stability Augmentation Control System design scheme of the feedback of The feedback rate of roll signal，sideslip angle signal，lateral acceleration signal？to the Aileron and The feedback of yaw rate signal，lateral acceleration signal，sideslip angle signal was mentioned，finally the B707 Aircraft Lateral-directional stability augmentation control law was designed，and the digital simulation and performance analysis was carried out.This paper had a certain Engineering reference value to the design of civil aircraft flight control law.

Key words：Stability Augmentation；Control Law；Dutch Roll

大型客机在高空、高速飞行时，在受到阵风或紊流的扰动时，由机自身稳定性不足，飞机往往会出现低阻尼比的俯仰振荡和横航向振荡，驾驶员对这种短周期的振荡模态来不及反应，极大的影响飞行员的操纵和乘客的乘坐品质，严重情况会造成飞机的事故[1]。为了保证飞机的飞行安全，满足要求的飞行品质，通常需要必须要在飞的三个轴向操纵系统中加入增稳系统，以便增大飞机振荡模态的阻尼比，增强飞机的稳定性和改善飞机的操纵性。

增稳系统主要分为纵向以及横航向两种增稳控制构型，纵向增稳控制律设计的主要目的是改善飞机短周期运动特性，横航向增稳控制律设计的主要目的是改善飞机的荷兰滚运动特性。由机横航向运动的交连耦合的影响造成了横航向运动的复杂性，因此横航向增稳系统的设计比纵向操稳系统难。该文对某型飞机的横航向增稳系统进行了设计，对并其仿真结果进行了分析。

向增稳控制系统方案

控制增稳的控制律是电传操纵系统最基本的控制模态，是电传操纵系统实施对飞机的控制以及实现各种主动控制功能的基础。控制增稳的控制律设计，首先要满足稳定性要求。设计实践经验表明，在线性设计阶段，应力求留出足够的幅值稳定裕量和相位裕量；从而使非线性设计和实际系统交付时，得以满足6分贝幅值裕量和45°相位裕量的指标要求。

具体设计指标如下[2]。

（1）滚转轴操纵具备滚转角速度控制/倾斜角姿态保持响应类型，并具有自动转弯协调能力。

（2）偏航角操纵具备常规的侧滑响应类型，而由侧滑引起的滚转趋势可以通过副翼调节自动防御。

（3）荷兰滚阻尼比大于0.5，滚转角速度响应零点和荷兰滚极点尽量对消，以提高乘坐品质。

（4）滚转模态半衰期足够小。

一般具有以下3种横航向增稳控制系统方案[3]。

（1）偏航通道中引入偏航角速率反馈。

（2）滚转通道中引入滚转角速率反馈。

（3）偏航通道和滚转通道中引入侧滑角或侧向过载反馈。

飞机在进行稳态协调转弯时，会产生附加的偏航角速率。为了解决这个问题，通常在偏航角速率反馈通道中加入洗出网络。

1.2 基于滚转角速率反馈副翼的控制方案

滚转角速率反馈的主要目的是减少飞机滚转性能随飞行条件的变化。可以在提高动稳定性的同时，改善以致消除滚转角速率振荡引起的倾斜角振荡，并在全包线内获得良好的横航向控制增稳能。

1.3 基于侧向过载或侧滑角反馈控制方案

引入侧向过载或侧滑角反馈有利于提高荷兰滚模态频率。同时引入偏航角速率和侧向过载反馈不仅可以补偿航向静安定度，而且有助于减小滚转机动和侧向扰动时的侧向过载和侧滑角。

因此，在偏航通道和滚转通道中分别引入滚转角速率反馈和偏航角速率反馈可以增加相应通道的阻尼比，引入侧滑角或侧向过载反馈则可以增加系统静稳定性，但同样会减小系统阻尼。以上三种反馈控制方案的优、缺点总结于表1中。