典型飛機(jī)自動駕駛系統(tǒng)工作模式管理與控制

楊建營

（中國聯(lián)合航空有限公司，北京 102600）

0 引言

為了減輕飛行員操縱飛機(jī)所花費(fèi)的體力和精力，同時為了提高飛機(jī)的飛行精度，現(xiàn)代民用大中型飛機(jī)基本上都安裝了自動飛行系統(tǒng)。當(dāng)代飛機(jī)的自動飛行系統(tǒng)以機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行員輸入的指令或執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋信號為主要信號源，以計算機(jī)為核心，以伺服作動系統(tǒng)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)自動飛行功能。

1 自動駕駛系統(tǒng)的功用

自動駕駛系統(tǒng)是自動飛行系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)之一。自動駕駛計算機(jī)根據(jù)設(shè)定的工作方式和其他輸入信號來計算操縱舵面的控制指令，該指令傳送給舵面伺服作動系統(tǒng)推動飛機(jī)舵面，以控制飛機(jī)的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)飛行軌跡和速度的控制?，F(xiàn)代飛機(jī)自動駕駛子系統(tǒng)一般有二個通道，即俯仰和橫滾通道。橫滾通道的功能是自動駕駛儀根據(jù)飛行員在控制面板上的設(shè)定或飛行管理系統(tǒng)傳送過來的數(shù)據(jù)控制飛機(jī)的飛行橫滾姿態(tài)、航跡、航向；俯仰通道的功能是自動駕駛儀根據(jù)飛行員在控制面板上的設(shè)定或飛行管理系統(tǒng)傳送過來的數(shù)據(jù)控制飛機(jī)的飛行俯仰姿態(tài)、飛行高度。自動駕駛儀通過控制升降舵或水平安定面來實(shí)現(xiàn)俯仰軸上的偏轉(zhuǎn)。偏航控制由橫滾通道和偏航阻尼器共同來完成。典型飛機(jī)自動駕駛系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

圖1 典型飛機(jī)的自動駕駛系統(tǒng)組成

2 自動駕駛系統(tǒng)的工作模式

自動駕駛只能在起飛離地并達(dá)到一定高度后才能銜接，非電傳操縱的飛機(jī)自動駕駛一般有兩種銜接模式，一種是駕駛盤操縱（CWS）模式，另一種是指令（CMD）模式。

2.1 CWS 自動駕駛工作模式

自動駕駛工作在CWS 模式時，方向盤或駕駛桿的力感覺機(jī)構(gòu)把飛行員的操作量轉(zhuǎn)換為電信號，傳送給自動駕駛計算機(jī)，計算機(jī)把電信號計算成控制指令，并把該控制指令傳送給自動駕駛液壓伺服作動器，通過控制液壓伺服作動器控制舵機(jī)，進(jìn)而控制舵面運(yùn)動。CWS 控制流程為：駕駛盤或桿操作機(jī)構(gòu)→力傳感器→自動駕駛計算機(jī)→液壓伺服作動器→舵機(jī)→舵面。自動駕駛工作在CWS 模式時，當(dāng)飛行員不操作飛機(jī)操作機(jī)構(gòu)時，自動駕駛保持飛機(jī)以現(xiàn)有姿態(tài)飛行。如果飛行員需要改變飛機(jī)姿態(tài)，飛行員可以通過操控飛機(jī)操作機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

2.2 CMD 自動駕駛工作模式

自動駕駛工作在CMD 模式時，控制指令由控制面板或飛行管理計算機(jī)發(fā)出，目標(biāo)指令傳送給自動駕駛計算機(jī)，計算機(jī)計算控制指令，然后傳送給自動駕駛伺服作動器，由伺服作動器作動舵機(jī)，進(jìn)而控制舵面運(yùn)動。CMD 控制流程：控制面板+飛行管理系統(tǒng)+飛機(jī)運(yùn)動參數(shù)→自動駕駛計算機(jī)→自動駕駛液壓伺服作動器→舵機(jī)→舵面。

3 自動駕駛系統(tǒng)回路設(shè)計

自動駕駛系統(tǒng)的工作本質(zhì)是控制飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)姿態(tài)、位置和速度的控制與穩(wěn)定。自動駕駛系統(tǒng)是由多個閉環(huán)回路組合而成的復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)，從功能上可以分同步回路、舵機(jī)回路、穩(wěn)定回路和制導(dǎo)回路。

3.1 同步回路

同步回路是通過自動駕駛計算機(jī)的信號同步以及舵機(jī)同步，來保證在自動駕駛銜接時，系統(tǒng)輸出為零，即保證自動駕駛的工作狀態(tài)與當(dāng)前飛機(jī)的飛行狀態(tài)同步。

3.2 舵機(jī)回路

舵機(jī)回路是舵機(jī)偏轉(zhuǎn)信號反饋回計算機(jī)的路，其保證自動駕駛的輸出和輸入成比例或積分關(guān)系，減少鉸鏈力矩對作動機(jī)構(gòu)工作性能的影響。

3.3 穩(wěn)定回路

穩(wěn)定回路又稱內(nèi)回路，是控制飛機(jī)的角運(yùn)動，通過控制飛機(jī)的姿態(tài)最終進(jìn)入目標(biāo)姿態(tài)。如果測量的是飛機(jī)的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，那么姿態(tài)測量部件和舵回路就構(gòu)成了自動駕駛計算機(jī)，自動駕駛計算機(jī)和飛機(jī)就構(gòu)成了穩(wěn)定回路。

3.4 制導(dǎo)回路

制導(dǎo)回路又稱外回路，主要控制飛機(jī)的航跡和速度，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)重心偏移即飛機(jī)運(yùn)動軌跡的控制。穩(wěn)定回路加上測量飛機(jī)重心位置信號的元件以及表征非空間位置幾何關(guān)系的運(yùn)動學(xué)環(huán)節(jié)，就組成了控制飛機(jī)質(zhì)心運(yùn)動的回路，既制導(dǎo)回路。飛機(jī)的位置、速度是控制回路的目標(biāo)值，由飛機(jī)運(yùn)動方程可以得到飛機(jī)姿態(tài)與軌跡參數(shù)之間的關(guān)系。自動駕駛系統(tǒng)控制回路如圖2 所示。

圖2 自動駕駛系統(tǒng)內(nèi)回路和外回路

3.5 工作模式管理方法

制導(dǎo)回路用于自動控制及穩(wěn)定飛行路徑，在制導(dǎo)回路中可以得到理想飛行路徑指令和實(shí)際飛行路徑之間的差值，即路徑偏離信號。路徑偏離信號轉(zhuǎn)換成為飛機(jī)姿態(tài)指令信號，并作為輸入信號提供給穩(wěn)定回路。穩(wěn)定回路把輸入飛機(jī)姿態(tài)信號與實(shí)際飛機(jī)的實(shí)際姿態(tài)進(jìn)行比較，計算出姿態(tài)偏差，該偏差由自動駕駛計算機(jī)處理，計算出舵面偏轉(zhuǎn)指令傳輸給舵機(jī)回路。機(jī)舵回路作動舵面偏轉(zhuǎn)，改變飛機(jī)的姿態(tài)，即可改變飛機(jī)的航跡。

4 自動駕駛系統(tǒng)控制器設(shè)計

對自動駕駛系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度起關(guān)鍵作用的就是速度自動駕駛計算機(jī)中控制器的設(shè)計方法。傳統(tǒng)的控制器以比例控制、積分控制為典型設(shè)計，進(jìn)而形成PID 控制。隨著計算機(jī)技術(shù)控制技術(shù)和自適應(yīng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，為進(jìn)一步提高控制精度，針對不同的飛行速度及不同的飛行階段現(xiàn)代飛機(jī)采用了數(shù)字式可變參數(shù)自適應(yīng)PID 控制設(shè)計，使用測速反饋改善作動機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能。引入速度反饋的可變參數(shù)自適應(yīng)控制原理如圖3 所示。

圖3 典型自動駕駛可變參數(shù)自適應(yīng)PID 控制器原理

5 結(jié)束語

隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，自動駕駛計算機(jī)對飛行管理功能、自動駕駛儀功能、飛行指引的功能、自動油門功能、偏航阻尼功能以及配平功能的綜合管理能力不斷提高，自動駕駛系統(tǒng)必將向深度集成方向發(fā)展。