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飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及發(fā)展

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飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及發(fā)展

摘要:在飛機(jī)設(shè)計(jì)中,飛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分重要的組成部分,它是否具備優(yōu)良的性能和卓越的先進(jìn)性,是決定飛機(jī)性能好壞以及能否在行業(yè)中處于領(lǐng)先地位的直接影響因素,所以,為了幫助讀者更深刻地理解實(shí)際飛機(jī)控制系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用,本文將主要的研究對(duì)象設(shè)為飛機(jī)控制系統(tǒng),對(duì)飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀與發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。首先,筆者對(duì)飛機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程,即從簡(jiǎn)單的機(jī)械操縱系統(tǒng)到助力操縱系統(tǒng),從電傳操縱系統(tǒng)和綜合飛機(jī)控制系統(tǒng)到光傳操作系統(tǒng),都進(jìn)行了系統(tǒng)性的歸納闡述;其次,通過(guò)對(duì)飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展歷程和飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀的分析與研究,再結(jié)合我國(guó)飛機(jī)未來(lái)功能的可能性控制需求,筆者著重研究了飛機(jī)控制系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向,希望可以為后續(xù)飛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供參考的理論材料。

關(guān)鍵詞:飛機(jī)控制系統(tǒng);飛行控制;現(xiàn)狀;發(fā)展;研究分析

自從1903年Wright兄弟實(shí)現(xiàn)首次有人駕駛飛機(jī)以來(lái),人們就不曾停止過(guò)對(duì)飛機(jī)控制系統(tǒng)以及飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究和分析,細(xì)細(xì)數(shù)來(lái),分級(jí)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷經(jīng)了數(shù)百年之久。隨著國(guó)家軍事需求的發(fā)展和人們經(jīng)濟(jì)水平的提升,對(duì)飛機(jī)控制系統(tǒng)的要求也越來(lái)越嚴(yán)格,飛機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)于飛機(jī)作戰(zhàn)性能、可靠性、實(shí)用性都有著十分重要的影響,飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究與分析也已經(jīng)成為飛機(jī)設(shè)計(jì)的重中之重。為了滿足社會(huì)及人們對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)性格的諸多要求,研究人員在飛機(jī)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)、控制對(duì)象、控制方式以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等方面都進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn),努力將控制理論應(yīng)用到飛機(jī)的飛行控制中,最終推動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)的完善。

1飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展歷程

我國(guó)飛機(jī)控制系統(tǒng)主要可以分為兩大階段:傳統(tǒng)飛行控制階段和現(xiàn)代飛行控制階段。傳統(tǒng)飛行控制階段又可以分為早期的助力機(jī)械操作系統(tǒng)與自動(dòng)駕駛儀、增穩(wěn)與控制增穩(wěn)系統(tǒng)以及自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)三個(gè)小階段:傳統(tǒng)飛行控制階段發(fā)展初期,助力機(jī)械操作系統(tǒng)滿足了當(dāng)時(shí)第二次世界大戰(zhàn)的軍事需要,優(yōu)化了飛行員的操縱體驗(yàn),具有首次切斷駕駛桿和舵面直接聯(lián)系的歷史性意義,是FCS發(fā)展史上的一次重要變革;隨著時(shí)代的發(fā)展,飛機(jī)的性能更傾向于滿足飛得更高、飛行包線擴(kuò)得更大、飛機(jī)操穩(wěn)特性變化更劇烈的要求,并且人工操縱系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當(dāng)時(shí)飛機(jī)發(fā)展的需要,因此,研究人員將增穩(wěn)系統(tǒng)應(yīng)用到人工操縱中,以此提升飛行控制的增穩(wěn)性能,實(shí)現(xiàn)了FCS發(fā)展史上的第二次重要變革,這一次變革較成功地解決了前面所提及的飛行包線擴(kuò)大和飛機(jī)操穩(wěn)特性劇烈的問(wèn)題,解決了穩(wěn)定性和操縱性之間的矛盾;然而,科技的進(jìn)步推動(dòng)了自動(dòng)駕駛技術(shù)范圍的擴(kuò)大,飛機(jī)控制系統(tǒng)逐漸走向傳統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)發(fā)展的末端,大部分飛機(jī)都能夠適應(yīng)自動(dòng)駕駛技術(shù)的改革,成功建立較為完善的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)可以更好地修補(bǔ)操縱性和穩(wěn)定性之間的缺陷,更有效地提高了飛行人員的工作效率,以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的航機(jī)控制。傳統(tǒng)飛行控制階段雖然飛機(jī)性能有所改變,但也只是局限在氣動(dòng)布局、推進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)體結(jié)構(gòu)之間的,其本質(zhì)并沒(méi)有達(dá)到實(shí)質(zhì)性的改變。為了解決這種情況下引發(fā)的諸多矛盾,有研究人員提出了主動(dòng)控制技術(shù)的技術(shù)理念,打破傳統(tǒng)飛行控制階段三者之間協(xié)調(diào)和優(yōu)化的局面,實(shí)現(xiàn)飛控、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和推進(jìn)四者之間的協(xié)調(diào)和優(yōu)化,這意味著飛行控制系統(tǒng)步入了現(xiàn)代飛行控制階段?,F(xiàn)代飛行控制階段主要包含主動(dòng)控制技術(shù)和電傳操縱系統(tǒng)、綜合飛行系統(tǒng)兩階段。前者被廣泛應(yīng)用于軍事戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)斗機(jī)中,并伴隨著科技的進(jìn)步現(xiàn)如今被充分應(yīng)用到現(xiàn)役先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)、新型民機(jī)中,并正在被嘗試與直升機(jī)和公務(wù)機(jī)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合;后者在實(shí)際應(yīng)用中雖然仍舊處于發(fā)展階段,但必須承認(rèn)的是,綜合飛行系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)和必經(jīng)之路,對(duì)于戰(zhàn)機(jī)、民機(jī)都有著十分顯著的影響。

2飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

飛機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)龐大的復(fù)雜的系統(tǒng),它的設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)分階段的開(kāi)發(fā)過(guò)程,首先,需要將飛機(jī)控制系統(tǒng)的功能需求在設(shè)計(jì)階段做逐步分解;其次,需要對(duì)功能需求分解和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行逐級(jí)逐步的驗(yàn)證和測(cè)試,只有當(dāng)所有的功能測(cè)試都完成且確認(rèn)無(wú)誤后,才可以看作是飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的閉合。對(duì)于飛機(jī)控制系統(tǒng)而言,飛行控制律的開(kāi)發(fā)與研究是一項(xiàng)重要的組成部分,它的設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜,是一項(xiàng)融合了多種學(xué)科開(kāi)發(fā)的過(guò)程。如果我們將飛行控制律的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化,大體可以獲得四種主要的迭代回路,它們分別是離線設(shè)計(jì)、人在回路中仿真、鐵鳥(niǎo)實(shí)驗(yàn)和飛行試驗(yàn)四種。通過(guò)這四種迭代回路,我們可以分析設(shè)計(jì)方法的結(jié)果和性能是否穩(wěn)定、飛機(jī)的增穩(wěn)性能和操縱性能是否適合有人操作、真實(shí)條件下飛機(jī)性能是否能正常操作,以及飛機(jī)控制系統(tǒng)最終是否能夠滿足設(shè)計(jì)階段用戶的需求。科技的發(fā)展和用戶需求的提升使得現(xiàn)代飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性,這也增加了控制律的設(shè)計(jì)難度,控制律設(shè)計(jì)必然是需要經(jīng)過(guò)多次、反復(fù)的設(shè)計(jì)測(cè)試和調(diào)整的,因此,需要反復(fù)重復(fù)迭代試飛和調(diào)整。飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了需要根據(jù)飛機(jī)執(zhí)行不同的飛行任務(wù)來(lái)選擇不同的控制構(gòu)型外,還應(yīng)使用不同的飛機(jī)控制系統(tǒng)方法比較和分析控制律的傳動(dòng)比,最終完成控制律設(shè)計(jì)。

3現(xiàn)代飛機(jī)飛行控制律設(shè)計(jì)方法概述

3.1線性二次型最優(yōu)控制

線性二次型最優(yōu)控制采用的是數(shù)學(xué)領(lǐng)域中準(zhǔn)確的性能指標(biāo)描述系統(tǒng)的性能規(guī)范,該理論的要求嚴(yán)格,不將模型誤差和外界干擾考慮到模型中,強(qiáng)調(diào)和明確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)性和精準(zhǔn)性。然而,在實(shí)際的設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中,不存在絕對(duì)的無(wú)干擾因素環(huán)境,這些不確定的因素是不可避免的,所以,在飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,應(yīng)用線性二次型最優(yōu)控制時(shí),還需要考慮到魯棒性問(wèn)題,為了解決這一問(wèn)題,我們可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用頻域加權(quán)法,再結(jié)合經(jīng)典控制理論,才能將線性二次型最優(yōu)控制設(shè)計(jì)方法的作用充分且成功地發(fā)揮出來(lái)。

3.2非線性動(dòng)態(tài)逆控制

反饋線性化方法,也叫精確線性化方法,是非線性動(dòng)態(tài)逆控制設(shè)計(jì)理論中最成熟的理論觀點(diǎn)之一。反饋線性化方法與小擾動(dòng)線性方法不同,它包括微分幾何方法和動(dòng)態(tài)逆方法兩部分,其中動(dòng)態(tài)逆被廣泛應(yīng)用于飛行控制系統(tǒng)的理論研究和實(shí)際操作,在大仰角超機(jī)動(dòng)飛機(jī)、直升機(jī)和無(wú)人機(jī)等機(jī)種中起到了顯著的作用。當(dāng)飛行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)精準(zhǔn)固定時(shí),飛機(jī)控制系統(tǒng)所受到的干擾都可以以建模的方法準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來(lái),在這種前提下,動(dòng)態(tài)逆算法才可以將非線性對(duì)象有效地轉(zhuǎn)換為線性化,但是,實(shí)際操作中要想達(dá)成這樣的前提是十分困難的,而一旦出現(xiàn)逆誤差,則會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)逆飛行控制系統(tǒng)的控制效果朝著惡化的方向發(fā)展,最終造成不可挽回的損失,因此,在采用非線性動(dòng)態(tài)逆控制設(shè)計(jì)方法時(shí),需要結(jié)合其他的控制設(shè)計(jì)方法如自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等補(bǔ)償動(dòng)態(tài)來(lái)增強(qiáng)控制系統(tǒng)的魯棒性。

3.3自適應(yīng)控制

早在20世紀(jì)50年代末,有學(xué)者為了解決飛行器自動(dòng)駕駛的技術(shù)難題,率先提出了參考模型自適應(yīng)控制理論,自此后自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)方法理論被不斷完善。適應(yīng)控制的優(yōu)點(diǎn)在于能夠自己控制和修正特性以適應(yīng)動(dòng)特性的變化,缺點(diǎn)則是當(dāng)有干擾和未建模動(dòng)態(tài)存在時(shí),會(huì)缺少魯棒性。

3.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

隨著科學(xué)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,人工智能逐漸成為一門新興技術(shù),并被嘗試著應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。相較于其他控制設(shè)計(jì)方法,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在精確度上,它可以并行處理,也可以分布存儲(chǔ),同時(shí),具有高容錯(cuò)、非線性運(yùn)算等其他控制設(shè)計(jì)方法無(wú)法比擬的先進(jìn)優(yōu)勢(shì),其高精密度甚至可以媲美非線性函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在我國(guó)飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的應(yīng)用目前形成的體系主要分為兩大類:一種是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制,另一種是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)逆控制。前者是對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)控制的有機(jī)結(jié)合,發(fā)揮二者之所長(zhǎng)互相彌補(bǔ),使得飛機(jī)控制系統(tǒng)能夠保持最佳的工作狀態(tài);后者則是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)對(duì)非線性動(dòng)態(tài)逆控制進(jìn)行補(bǔ)償和完善,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)彌補(bǔ)因模型不精準(zhǔn)而產(chǎn)生的誤差,在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的同時(shí),還可以提升整個(gè)飛行控制系統(tǒng)的控制效果。

4結(jié)語(yǔ)

飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展是為了更好地服務(wù)飛機(jī)性能,其設(shè)計(jì)方法理論的提出是為了增強(qiáng)其控制性。然而,從目前的發(fā)展來(lái)看,許多設(shè)計(jì)方法還停留在理論階段和研究階段,要想將其投入實(shí)際研發(fā)和應(yīng)用中,仍有很長(zhǎng)的路需要走。如果在應(yīng)用時(shí)只單純地使用一種飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,這種飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所存在的弊端會(huì)影響其控制性,影響優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。因此,我們?cè)谘芯亢蛻?yīng)用過(guò)程中,需要反復(fù)比較論證,發(fā)揮不同飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)有效的結(jié)合補(bǔ)償其缺點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)綜合控制。

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作者:李恒 張建 王亞寧 陳黎明 單位:海軍航空大學(xué)