飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀與發(fā)展

李恒，張建，王亞寧，陳黎明

（海軍航空大學(xué)，山東 煙臺 264001）

自從1903年Wright兄弟實(shí)現(xiàn)首次有人駕駛飛機(jī)以來，人們就不曾停止過對飛機(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，分級控制系統(tǒng)的發(fā)展歷經(jīng)了數(shù)百年之久。隨著國家軍事需求的發(fā)展和人們經(jīng)濟(jì)水平的提升，對飛機(jī)控制系統(tǒng)的要求也越來越嚴(yán)格，飛機(jī)控制系統(tǒng)對于飛機(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。為了滿足社會及人們對現(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)與自動駕駛儀、增穩(wěn)與控制增穩(wěn)系統(tǒng)以及自動飛行控制系統(tǒng)三個小階段：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)步推動了自動駕駛技術(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)自動駕駛技術(shù)的改革，成功建立較為完善的自動飛行控制系統(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、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。

現(xiàn)代飛行控制階段主要包含主動控制技術(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)展的必然趨勢和必經(jīng)之路，對于戰(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)是一個龐大的復(fù)雜的系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)過程是一個分階段的開發(fā)過程，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，需要對功能需求分解和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行逐級逐步的驗(yàn)證和測試，只有當(dāng)所有的功能測試都完成且確認(rèn)無誤后，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。對于飛機(jī)控制系統(tǒng)而言，飛行控制律的開發(fā)與研究是一項(xiàng)重要的組成部分，它的設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，是一項(xiàng)融合了多種學(xué)科開發(fā)的過程。如果我們將飛行控制律的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行簡化，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、鐵鳥實(shí)驗(yàn)和飛行試驗(yàn)四種。通過這四種迭代回路，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)過多次、反復(fù)的設(shè)計(jì)測試和調(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)過程中，不存在絕對的無干擾因素環(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，還需要考慮到魯棒性問題，為了解決這一問題，我們可以在設(shè)計(jì)過程中采用頻域加權(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。

3.2 非線性動態(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線性方法不同，它包括微分幾何方法和動態(tài)逆方法兩部分，其中動態(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)動飛機(jī)、直升機(jī)和無人機(jī)等機(jī)種中起到了顯著的作用。當(dāng)飛行動態(tài)系統(tǒng)精準(zhǔn)固定時，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，在這種前提下，動態(tài)逆算法才可以將非線性對象有效地轉(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，則會導(dǎo)致動態(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，在采用非線性動態(tài)逆控制設(shè)計(jì)方法時，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)償動態(tài)來增強(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)動特性的變化，缺點(diǎn)則是當(dāng)有干擾和未建模動態(tài)存在時，會缺少魯棒性。

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，同時，具有高容錯、非線性運(yùn)算等其他控制設(shè)計(jì)方法無法比擬的先進(jìn)優(yōu)勢，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)動態(tài)逆控制。前者是對神經(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)對非線性動態(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，在簡化設(shè)計(jì)的同時，還可以提升整個飛行控制系統(tǒng)的控制效果。

4 結(jié)語

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，仍有很長的路需要走。如果在應(yīng)用時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影響其控制性，影響優(yōu)勢的發(fā)揮。因此，我們在研究和應(yīng)用過程中，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)，通過有效的結(jié)合補(bǔ)償其缺點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)綜合控制。