基于信号流图的飞机自动飞控系统滚转姿态控制结构设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及飞控系统设计，特别是一种基于信号流图的飞机自动飞控系统滚转姿 态控制结构设计方法。
【背景技术】
[0002] 飞机自动飞控系统滚转姿态控制是飞机侧向运动的内控制回路，且为侧向航迹控 制的基本控制器。滚转姿态控制应能够有效改善固有阻尼特性，特别是改善荷兰滚运动的 阻尼特性，稳定螺旋运动，并按飞行品质要求改进固有特性，且为外控制回路创造条件；减 小扰动影响主要是减小阵风的影响；稳定飞行姿态，或者控制作为飞行航迹控制变量的滚 转角；抑制曲线飞行中的侧滑等。滚转姿态控制器的设计目的主要是减轻驾驶员的负担，简 化外控制回路，改善系统的线性特性，并降低系统"有效阶数"。
[0003] 飞机自动飞行控制系统控制器的工程初步设计，通常是在全飞行包线内选取若干 工作点对飞机非线性运动方程进行线性化和解耦处理，进而根据设计经验选取反馈控制回 路，确定控制器的基本结构。然而飞机运动存在大量可使用的状态变量和操纵变量，仅靠设 计经验难以选择最佳的控制器总体结构。例如无风情况下，侧向运动中有12个可观测的状 态变量和输出变量，并至少具备方向舵和副翼两个操纵变量，这就可能有24条反馈回路。 若给这些回路都配上滤波器，那么，要设计约48个甚至更多个控制参数，从工程角度讲，这 实际是不可能的。此外，这样的全状态反馈控制结构会使控制器的可靠性大大降低。因此， 应设法将反馈回路数目限制到绝对需要的程度。
[0004] 信号流图描述了时域模型（即状态方程）和频域模型（即传递函数）之间的关系， 便于进行飞行特性分析和确定控制器结构。信号流图以图解的形式更形象地说明飞机运动 的物理过程。首先，可用信号流图来讨论固有特性和传递特性，即研究各个方程参数对稳定 性、操纵性和可观性的影响。其次，应当用信号流图指出进一步简化方程的可能性。最后， 可用与信号流图"内反馈回路"相似的方法估计外反馈的作用，从而设计出更好的控制器结 构。
[0005] 在现有技术中，虽然作了许多限制假设并经过线性化处理，但飞机运动方程仍然 相当复杂。对于控制器初步设计来说，评估确定合理的控制器结构至关重要。所以，用流 程图近似方法再进一步简化方程组和传递函数是很有意义的，这样可以更好地理解物理关 系，减少问题的复杂性和计算消耗，划分成局部控制任务（单个控制回路）和局部品质指 标，循序渐进地设计控制器。
[0006] 飞机上的一些特殊边界条件（操纵极限、弹性自由度、可靠性等）不允许使用高的 控制增益，若对应对象的传输通道的增益越高，则控制器的增益就可能越小，因为这二者的 乘积，即回路增益对控制器的作用具有决定性影响。另外，对象传递函数中包含的延迟越 小，控制就越简单。因此，为了实施有效控制，应在全部工作范围内选择稳态增益大、尽量无 延迟响应的传递通道，这二者可直接由信号流图来确定。
【发明内容】
[0007] 为解决上述问题，本发明提供了一种基于信号流图的飞机自动飞控系统滚转姿态 控制结构设计方法。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0009] -种基于信号流图的飞机自动飞控系统滚转姿态控制结构设计方法，包括如下步 骤：
[0010] S1、分别选取r、β、ρ、Φ为飞机侧向运动状态量，ζ、ξ为飞机侧向运动控制量， 每个状态量配置一个积分器，按照飞机侧向运动状态方程
[0012] 确定r、β、ρ、Φ状态量的微分表达式，即各积分器输入信号，构成飞机侧向运动 的总体信号流图；
[0013] 式中，Z、户、^分别为偏航角速度、侧滑角、滚转角速度及滚转角对时间的 导数，队、N fi、Np分别为偏航力矩对偏航角速度、侧滑角及滚转角速度的导数，L1^ Lfi、Lp分别 为滚转力矩对偏航角速度、侧滑角及滚转角速度的导数，Yp为侧力对侧滑角的导数，g为重 力加速度，V。为空速，ξ、ζ分别为副翼偏转角与方向舵偏转角，Ν ξ、Νζ分别为偏航力矩对 副翼偏转角与方向舵偏转角的导数，Υξ、Υ ζ分别为侧力对副翼偏转角与方向舵偏转角的导 数，U、Li分别为滚转力矩对副翼偏转角与方向舵偏转角的导数；
[0014] S2、以r、β为状态量，ζ为输入量，选择总的信号流图中延迟效应最小（积分器 最少）的传输通道近似分离出飞机侧向运动典型荷兰滚模态信号流图，其状态方程形式为
[0016] S3、从荷兰滚模态信号流图中选择唯一可改善荷兰滚模态阻尼特性的偏航角速度 到方向舵偏转角的反馈控制回路队，选择唯一可改善荷兰滚模态特征频率的侧滑角到方向 舵偏转角的反馈控制回路N fi;
[0017] S4、以ρ、Φ和ξ分别为状态量和输入量，选择总的信号流图中延迟效应最小（积 分器最少）的传输通道近似分离出飞机侧向运动典型滚转运动模态信号流图，其状态方程 形式为
[0019] S5、从滚转运动模态信号流图中选择唯一可改善滚转运动模态阻尼特性的滚转角 速度到副翼偏转角的反馈控制回路Lp，选择唯一可改善螺旋模态稳定性的滚转角到副翼偏 转角的反馈控制回路U;
[0020] S6、将根据侧向近似荷兰滚模态和滚转模态选择的反馈控制回路同时配置于原系 统，并令侧滑角指令始终为〇,以减小荷兰滚模态与滚转运动模态的耦合作用；令滚转角指 令作为自动飞控系统内回路控制的输入。
[0021] 本发明具有以下有益效果：
[0022] 将飞机侧向运动线性化方程转化为物理意义明显的信号流图，从总信号流图中近 似分离出荷兰滚运动模态和滚转运动模态，进而选择积分器最少的通道为各模态控制通 道，并确定反馈控制量以配置相应的反馈回路，从而确定侧向滚转姿态控制器的总体结构， 克服了现有技术中根据设计经验选取反馈控制回路导致无法确定自动飞控系统滚转姿态 最佳控制结构的不足。
【附图说明】
[0023] 图1本发明实施例中飞机典型侧向运动动力学线性状态方程的信号流图；
[0024] 图2本发明实施例中飞机侧向运动典型荷兰滚模态与滚转模态近似信号信号流 图；
[0025] 图3本发明实施例中飞机侧向运动典型滚转姿态控制总体结构信号流图。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步 详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0027] 本发明实施例提供了一种基于信号流图的飞机自动飞控系统滚转姿态控制结构 设计方法，包括如下步骤：
[0028] Sl、分别选取r、β、ρ、Φ为飞机侧向运动状态量，ζ、ξ为飞机侧向运动控制量， 每个状态量配置一个积分器，按照飞机侧向运动状态方程
[0030] 确定r、β、ρ、Φ状态量的微分表达式，即各积