Matlab飞行控制-民用飞机自动飞行控制系统的发展_下_.pdf

发布时间：2022-06-20 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.44M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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民用飞机自动飞行控制系统的发展（下）周其焕 2002 年 3 月第 33 卷第 1 期 (总第 106 期) 民用飞机自动飞行控制系统的发展（下）周其焕（中国民航学院，天津 300300） 5 有关飞行控制自动化的争议 (1) 自动飞行方式过多，在某些方式的自动过渡中易使驾驶员模糊或误解；前 10 年内飞行控制自动化领域出现过两次较 (2) 某些驾驶员过分依赖自动化，造成盲目的大的争论。安全感而导致意外失控； 5.1 飞行控制自动化导致设备复杂化，是否影响了驾驶员的理解和接受能力，影响了飞行安全？或者 (3) 驾驶员长期依靠自动化系统而缺乏手动操纵实践，技术熟练程度逐渐下降和荒废，当出现说飞行控制自动化是否过头了？某些意外时，将手足无措，不能操纵改出；当时从人机接口关系上曾提出过一些正面教学的观点： (4) 高度自动化使驾驶员在空中减少工作负荷，并过分空闲，久之造成惰性，从而丧失警觉性；图 2 A-330/A-340 飞机的各种自动工作方式 (5) 由于驾驶员知识水平不够并训练不太充分，驾驶员对飞行自动化理解上肤浅无知，但不易 25

March 2002 Vol.33 No.1 (serial No.106) 航空电子技术 AVIONICS TECHNOLOGY 从考核中发现，这样容易造成对某些曲解和误操作高度自动化；（2）注意人机接口上的安排，遵照人的本能自信； (6) 输入方式不再是通过分立的专用电门、旋钮、手柄，而统一由 CDU 软件等实现，容易发生输的因素和工效学原则，考虑到驾驶员的理解和接受限度，设计中要尽可能降低复杂性，由于AFCS 飞行工作方式过多，要在EFIS 屏幕的明显位置显示自动入差错，这种差错将构成重大危害；应急情况下容飞行的工作方式，防止驾驶员不能很好地感知生效易慌神，更易输错或使人机接口脱节，无法输入控工作方式，造成互相矛盾的误操作或超控不当；（3）制； (7) 信息量加大，输入输出数据加大，一方面减少了驾驶员体力负荷，另一方面增加了驾驶员对加强对驾驶员的训练环节，通过训练充分掌握自动飞行的机理和应急处理程序。总之，讨论肯定了飞行自动化深入发展的必要信息读取理解、判断决策上的脑力负荷，使得心理性，以提高飞机的稳定性、操纵性和飞行员品质，负荷更为沉重；缓解驾驶员操作紧张和疲劳的自动化措施都是必要 (8) 驾驶员成为管理员，脱离实时控制飞机，而是靠编程计划去实现飞行，驾驶员似乎脱离了飞的，并有利于飞行安全。 5.2 FBW 是否具备了足够程度的安全性，要不要机机，脱出于控制回路以外，对飞行中实时空情察觉械连接作备份? 的把握程度降低了，一旦发生意外，不能立即进入这个问题起源于空客和波音两大公司对 FBW 哲角色；理认识上的差异。通过时间的考验，证明了 FBW 是 (9) 驾驶员和 CDU 打交道太多，下视时间太久，安全的，多余度电传或光传链接的可靠性在某些场影响了平视和感知外部环境；合并不低于机械连接，特别对大尺寸飞机来说，超 (10) 玻璃驾驶舱中，两套显示部件、两套侧杆正副驾驶员职责划分上如何分工协调，两人的操作长度机械连接很不利。对于谨慎设计的利用侧杆控制的 FBW 已被普遍接受。目前虽然还保留着方向舵意图如何充分交流、互相理解，这里留下的空隙往的机械连接，在适当时机撤销脚蹬到方向舵的连接往是引起事故的缘由之一。争议的一般结论认为：已经不再是出人意料的事了。国内某些专家也认为，由于电传操纵系统具有（1）设计 AFCS 的前提为保证飞行任务圆满完机械操纵系统所无法比拟的优点，故电传操纵系统成，达到安全指标和经济效益，并不是单纯去追求已成为民用飞机操纵系统的发展方向。表 2 AFCS 和 FBW 的主要差异自动飞行控制系统（AFCS）电传飞行控制系统(FBW) 驾驶杆盘和舵面之间有机械联接。无机械联接或机械联接只作备份。具有基本的余度。一般用四余度。自动控制或返回人工驾驶。三重控制律（自动/备份/直接）。操纵信号发源器（inceptor）为驾驶杆、操纵信号发源器为侧杆、暂且保留脚蹬。盘和脚蹬。操纵信号发源器上有舵面响应的反馈或回操纵信号发源器上无反馈或回驱（B-777 施驱。驾驶员进入回路。加了人工的力反馈）。驾驶员不在回路内。自动系统有限权限，自动系统可随时超控，具有飞行包络保护，在飞行包络范围内，电或断开返回给人工驾驶，人工驾驶具有全传操纵具有全权限。权限。 26

民用飞机自动飞行控制系统的发展（下）周其焕 2002 年 3 月第 33 卷第 1 期 (总第 106 期) 6 光传控制（CBL）和光传飞行控制（FBL）应用和发展工作始于 1992 年，1996 年进入实际使用，例如 MD-87 飞机上采用光纤传输的副翼调整片为了防止电磁干扰其传输电缆，FBW 采用双绞控制系统（TBL）和雷神公司的比奇（Beech jet 400A）线和屏蔽接地等技术，但尚不能完全抑制意外的电飞机上采用光传输发动机控制系统（CBL）。光传控磁和电击干扰，在此问题上光传输具有极好的防护制除了像电传控制一样可减轻重量、增加业载，改性能。利用多通道光纤数据网络作为驾驶舱和飞机善可靠性和维护性，提高性能和安全以外，特别在机体各部分连接已成功地开辟了新途径。首先用于消除对 EMI、EMP、HIRF、火花、闪电、雷击等干扰光传输的辅助操纵系统和发动机控制系统都已取得因素最为明显，这是近代飞机上无线电射频密集情成功和实践应用。CBL 和 FBL 在民用飞机上的况下有利于防护的重要措施。表 3 空客和波音 FBW 的比较空客的 FBW 侧杆+保留脚蹬。波音 B-777 的 FBW 保留驾驶杆盘+脚蹬。杆位移操纵无反馈无回路。杆力操纵有力反馈和回驱。不能人工断开。只能进入电动的直接控制律。有一个主飞行计算机的“自动”和“断开” 按钮。可利用断开按钮进入人工的直接控制律（并有指示灯发出信号）。对中段扰流板液压作动器和水平安定面的对扰流板和水平安定面也无机械联接。配平控制组件保留备用的机械联接，供必要纵向控制律采用：比例+积分的 C*律。时人工的直接控制。纵向控制律采用：比例的 C*U 律。含有响应速度变化和飞机外部形态变化时含有响应速度变化时的自动配平功能，但飞的自动配平功能。机外部形态变化时无自动配平功能。比奇飞机的光传发动机控制系统是一个三余术和器件成熟，以及集成应用中的经验达到满意程度系统，在油门杆上装有三个差动旋转变压器，需度。经电/光变换后，经由独立的三重光纤路径传输光信飞机上的 CBL 已开始应用，并将逐步扩展分布号到达发动机。油门置订位置信号在发动机上经光/ 式 CBL 的应用。CBL 分布式计算机安装在感受点或电变换后输入装在发动机上的故障容错计算机。三作动点上，能减少系统节点，缩短传输路径，提高个数据在计算机中进行比较，超出容限的被抛弃，响应速率和降低成本，并更安全可靠。CBL 将使用从三个接近数据中取其中值通过力矩马达推动液压于辅助飞行操纵、增稳系统，以及发动机控制，推机械燃油阀的轴。此轴的三个位置反馈信号送回计力反喷控制、环境控制、电气应用等方面。还正在算机，完成闭环控制。这种光纤网络能提供的数据考虑采用光纤传输的全权限数字发动机控制(FADEC) 传输率在 1-3Mbps 之间，由于分布式控制不经中央系统。FBL 正在试验阶段，预计，在不远的将来将计算机，故能使传输速率加快，时延减小。进入民机应用。今后将直接采用光检测传感器（例如已由激光陀螺、光纤陀螺、角度编码光盘等）和光液伺服器 7 发展前景件，减少电/光和光/电多次变换环节，但有待于技 21 世纪初民用飞机自动飞行控制系统将随着 27

March 2002 Vol.33 No.1 (serial No.106) 航空电子技术 AVIONICS TECHNOLOGY 未来飞机操纵布局的变化以及新技术的进展而推力，采用鸭式前翼（即前置平尾），因而对大气紊流进，也将随空中交通环境、飞行操作程序、人机关较为敏感，并且都在一定程度上降低了静态稳定性，系等因素上的变化而发展。都将考虑飞行中燃油消耗造成的重心变化及其影（1）面向超大型和高速度飞行响，因而必须采取重心管理措施，防止由此引起的 21 世纪初将推出新的民用客机有空中客车公操纵品质不稳定。这些因素都将放松纵向稳定边界，司的超大型 A380 和波音公司的音速巡航者，前者倾导致必然采用 FBW 去提高人造稳定性，维持飞行品向于增加客座和航程，后者倾向于提高飞行速度。质。从空气动力特性上的考虑都将减小平尾面积和阻对于超音速飞机将不再是简单的三舵一杆了，表 4 FBW 在民用飞机上的应用机型说明 A-300-600 FBW 分别用于平尾配平、襟翼、缝翼、扰流板等（局部）欧洲 A-310 A-320 A-319,A321 空客 A-330 A-340 美国俄罗斯波音 B-777 麦道 C-17A MD-12 Àn70.Àn-77 Àn-124 Àn-225 Òu-204 萨伯中小飞 SAAB-2000 庞巴迪 CRJ-X 机印尼 IPTN N-250-100 并有机械备份。 FBW 侧杆、方向舵保留机械联接，升降舵和扰流板具有恢复方式，保持为独立系统。 FBW 侧杆、方向舵和水平尾翼配平具有机械备份。 FBW 保留驾驶杆、盘、脚蹬和舱面的机械连接。 FBW 具有机械超控。 FBW 多余度数字通道和模拟通道平行工作，应急时可转入备用液压控制。 FBW 加机械备份。 FBW 加模拟备份。 FBW 用于方向舵控制（局部）。 FBW 用于扰流板控制（局部）。 Lucas 的 FBW 加机械备份。将有较多的辅助操纵面及其控制部件，都需采用中。例如，利用柔性材料结合气囊或鼓包改变翼弦 ACT/CCV 技术安排。（2）和新技术相结合剖面、改变空气动力性能去适应不同速度飞行。又如，利用电致作动的智能材料，配合分布式大功率随着飞机设计上新材料新技术的出现和应用，电致应变驱动技术，制造出无轴承无铰链的操纵面飞行控制系统的设计也将与之相适应。通常许多新和调整片。再如，利用柔性可变形复合材料制成变概念和新技术均先应用于军用高速飞机上，但一旦形翼飞机，使机翼外形结构能更适应于不同飞行阶积累经验和达到成熟后，将和 ACT/CCV 技术结合，段，不同飞行速度下的性能要求，甚至在智能材料可能逐步移植并渗透到民用飞机的 AFCS、FBW/FBL 和微电子技术密切结合下，可以制成扑翼式飞机， 28

民用飞机自动飞行控制系统的发展（下）周其焕 2002 年 3 月第 33 卷第 1 期 (总第 106 期) 开辟仿生行为和新的飞行途径，当然这是远景发展（5）自动进近着陆技术的发展方向。自动进近着陆的引导已从地面无线电波束引（3）新控制理论的应用导（ILS 或 MLS），发展到利用卫星系统定位方法去军用飞机上已经进行过一些神经网络和自适制导飞机的飞行路程（GPS 或 DGPS）。由于后者按虚应控制的实验，还有“多变量控制器”，“推力矢量拟的 ILS/MLS 下滑路径制导飞行而生成外回路指控制”等方法。例如，NASA 在 F-15 ACTIVE 试验令，所以在 AFCS 结构上并没有什么差异。机上进行推力矢量控制系统试验以后，又于 1999 由于进近着陆阶段飞行事故所占百分比大，且年进行了一种在线自学“智能”飞行控制系统雏型驾驶员操作紧张，如何改进AFCS 从而提高进近着陆的试飞。它采用按 F-15 的气动数据库进行“预训练” （和复飞）阶段的安全性，缓解进近着陆中驾驶员的神经网络软件，及其自适应控制器。神经网络留的精力负担，已成为一个重要问题，还有一个驾驶驻在原先的四余度飞行控制计算机以外的另一个独员遇险应急处理问题。立计算机中，也和三通道飞行器管理系统(VMS)计算在研究军用飞机推力矢量控制方法在某些飞机分开。其系统软件可识别飞机的稳定性和操纵性，行阶段的应用中，使用了一种先前并不熟悉的效应并立即调整控制系统，以保持最优的飞行性能，产器（effectors），将导致最终提供一种应急的自动生最优的增益成为一种最优控制器。飞行控制，允许客机在舵面严重失效下，通过发动 AFCS 采用神经网络或人工智能系统旨在增强机的控制，降级成低品质飞行但足以达到安全着陆。驾驶员的人为能力，由机载系统完全取代人为运作。然而这并不能单纯归属于 AFCS 的功能，而是结合飞但研究进展并不快，在实践中尚没有达到满意的结机设计上使飞机响应去达到的。果。即使这种技术能在战斗机上采用，不论其如何（6）新的要求和可能性有效，估计不可能早期用于民航，因为在适航问题自动系统始终要求简化和透明、可靠和非易损和批准上都将受到阻力。基于生物原理的新的控制性。功能上的尽善尽美和结构上的简明可靠，两者理论，例如遗传和创生算法（ genetic algorithms）只能采取折衷。想得到的新的要求是否值得去做？也不会在自动飞行控制系统中得到早期应用。要全面衡量，现举以下两个例子说明：（4）FBW/FBL 的普遍应用人机接口上，机器向驾驶员的输出，能使驾驶 21 世纪将是广泛采用 FBW 的时代，而 CBL 和员看到听到，而驾驶员向机器的控制（输入），仅能 FBL 将首先在通用航空的小飞机上实现，随着光纤用手动、键入、编程等方法，手段较少，音控未能传输技术的发展所能提供的低成本应用，小飞机的普遍应用。军用飞机上为了便于驾驶员在大 g 负荷飞行自动化已经展现了可喜的局面。下操纵，已采用了音控手段，民用飞机上只有在无在 FBW 不断改进和扩大应用中，飞行包络保护线电频率调谐等非关键性程序上开始试用，对于飞有助于防止过度操纵，侧杆使用中不断增加信心，行操纵，有待语音识别技术达到相当成熟阶段才可最终将导致飞机上彻底取消驾驶杆盘以及脚蹬。能引入使用。美国小飞机运输系统（SATS）计划的专家们说，预示着管制员驾驶员数据链通信（CPDLC）即现在是把 FBW 用到小飞机上的时候了。建立在软件将在飞机上推广使用的今天，有人提出为使民用飞基础上的飞行控制具有保护手段，能消除由于驾驶机进一步自动化，应该使机载计算机能够读出地面员输入不当所引起的不希望有的响应，同时还能使空中交通管制（ ATC）的指令，转化为选定飞行路径人工操纵简化（例如速度矢量控制等），使得更容易和速度的驾驶指令交给 AFCS 去执行。这是一个外回驾驶。由于软件中具有失速/坡度限制等飞行包络保路指令生成问题，属于 FMC 的工作，也是自动化飞护，因而也能提高安全性。SATS 计划中，对 FBW 还行的发展方向。考虑了驾驶员失控下应急的自动着陆程序。 29

March 2002 Vol.33 No.1 (serial No.106) 航空电子技术 AVIONICS TECHNOLOGY 参考文献 [1] 张汝麟, 金风瑞, 童子尧等. 飞机飞行控制系统手册. 北京: 国防工业出版社, 1994. [2] D. Mclean. Aircraft Flight Control System. The Aeronautical Journal, March 1999: 159~165. [3] David Hughes, Micheal Dornheim. Automated Cockpit Special Roport Part Ⅰand Ⅱ. Aviation Week & Space Technology, 1995. 1, 52-65; 1995. 2, 48-57. [4] John Wiley. Mastering Autoflight. Air Transport World, 1995, (3): 45-48. [5] 林立清. 空客和波音系列飞机设计思路、机载设备、操纵方法对比研究. 北京: 中国民航科研中心, 1997. [6] 刘闯新. A-320 飞机电传侧杆操纵与自动配平飞行体会. 民航飞行与安全, 1998, (3): 1-2. [7] 管卫东. 对电传飞机侧杆操纵方法的认识. 航空安全, 1999, (5): 19-21. [8] David A. Brown. Flight-By-Wire Flight Control. Overhaul and Maintenance, March 1997: 2-3. [9] Terry Ford. Fly-By-wire and Interactions. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, May 1999: 479-481. [10] Oliver Sutton. Air Bus Flight Deck of the Future. Interavia, Oct.1999: 29-30. The Development of Automatic Flight Control System Used on Civil Aircraft ( Part Two ) ZHOU Qi-huan (Civil Aviation University of China, Tianjin 300300) Abstract: This paper is a general review for the development of AFCS used on civil aircraft, along with its road from autopilot, automatic flight control system to flight-by-wire, as well as some point of views for the perspective on the future evolution are mentioned. Key words: flight control; AFCS; FBW; FBC (收稿日期：2001-10-22) “民用飞机自动飞行控制系统的发展（上）”勘误页次第 43 页右栏第 16 行第 44 页右栏第 3 行第 44 页右栏第 3 行误倾向 AI/EI 波速正侧向 AZ/EL 波束页次第 44 页左栏第 10 行误的维正四维第 47 页左栏第 14 行左右舱左右座第 47 页右栏第 13 行保络包络 30

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