黑鹰直升机飞控系统及仿真

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1、第二十四届（2008）全国直升机年会论文黑鹰直升机飞控系统及仿真郑文东陈仁良（南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京210016）摘要：黑鹰（UH-60）直升机作为通用战术直升机，其飞行控制系统中的混合器、平尾安装角随飞行速度的变化等设计有特色。对我国直升机飞行控制系统的设计具有参考实用价值。本文全面介绍了黑鹰直升机的飞行控制系统的组成、控制流程及功能，并应用simulink对增稳系统进行了仿真实验。关键词：直升机；飞行控制；稳定增稳；非线性；仿真1引言由于直升机存在各个运动部件的气动耦合、惯性耦合、结构耦合及运动耦合，其操纵性、稳定性和机动性就变得很差。任何受扰运动都会使

2、直升机显出极不稳定的特性，比如悬停和小速度时受扰运动的悬停振荡模态和前飞时受扰运动的纵向沉浮振荡模态都表明无飞控系统改善的直升机的操纵是很复杂的。因此，直升机必须加装飞控系统来改善其特性，改善直升机的操稳性能，减少各个运动部件的耦合，从而减轻驾驶工作负荷。黑鹰直升机作为通用战术直升机，其飞行控制系统中的混合器、平尾安装角随飞行速度的变化等设计有特色。对我国直升机飞行控制系统的设计具有参考实用价值。本文对黑鹰直升机飞控系统进行分析，并对小速度下的运动模态进行了simulink下的仿真。2黑鹰直升机飞控系统模型的组成直升机模型的运动模态包括姿态运动和轨迹运动。一般意义上，飞控系统功能便是部分或

3、全部完成姿态与轨迹控制，并且改善飞行品质。本文以黑鹰直升机飞控系统为例进行分析，该直升机除具有上述功能外，在设计上还有其自身的三个特点。偏差作动器作动器作为飞控系统中单独一个通道被分离出来便是其中的第一个特点，它的主要功能是解决黑鹰直升机前飞速度80knot至180knot下速度对迎角的静不稳定特性，低于80knot由水平安定面解决；第二个特点就是水平安定面随动设计，直升机速度低于80knot时，水平安定面与速度、俯仰角和总距等参数随动。除此之外，水平安定面在小速度爬升、巡航和自转下滑等运动下对迎角起到优化调节的作用，在自转下滑时平尾迎角为-6度，水平悬停下的平尾迎角为34度；第三个特点是

4、混合器的设计，其功能是通过纯机械操纵进行解耦。下面就从组成黑鹰直升机飞控系统的各个部分进行介绍和分析。图1给出了黑鹰直升机飞控系统结构示意图，包括内回路、外回路、偏差作动器和混合器等主要部分。内回路主要针对稳定增稳系统的姿态控制；659外回路主要针对包括高度、速度和航向等在内的航迹控制。内外回路和偏差作动器通过相应的比例缩放进入各自通道的伺服作动器与直升机配平量和驾驶员对驾驶杆的杆操纵量经过比例放大后一起进入混合器。混合器将各个解耦通道过来的总距、纵横向周期变距和尾浆总距信号通过伺服作动器输出到黑鹰倾斜盘的模型，控制各个活动翼面的响应。偏差作动器姿态控制姿态伺服器航迹控制偏差伺服器航迹伺服

5、器自动配平杆输入量混合器总距解耦横向周期变距解耦纵向周期变距解耦尾浆总距解耦伺服器总距控制横向周期变距量纵向周期变距量尾浆总距控制图1飞控系统结构示意图稳定增稳系统（SAS）该系统包括俯仰、滚转和偏航三个通道。以俯仰通道为例对其结构进行分析，来自传感器的角速率信号经滤波后，一路进入时间常数为0.023秒的惯性放大环节，另一路进入截至频率为0.5rad/s的滤波器，以抑制俯仰角速率的急剧动作引起的扰动。两路合并后通过洗出电路，洗出低频俯仰角信号，以便不影响串联作动器在限幅范围内正常工作，该洗出电路的时间常数为7秒。对于输入信号，由于实际精确测量桨盘迎角比较困难，一般情况下，直升机的航迹角较小

6、，可通过测量姿态角间接反映桨盘迎角。所以，在增稳系统中，姿态角信号可通过对角速度陀螺输出信号积分或滞后一个相位角的伪积分来获得。图2给出了俯仰通道数字增稳系统模型，响应的滚转通道与偏航通道的稳定增稳系统类似与俯仰通道的建立过程，详细建模参考文献[1]。偏差作动器该部分是由包括舵机在内的多部件组成的一个伺服回路，是俯仰姿角、俯仰角速率和前飞速度三个参数的函数。偏差作动器的主要功能是改善直升机在80knot至180knot时纵向速度对迎角的静不稳定性。图3给出偏差作动器的结构图。偏差作动器框图各参数如下：限幅1上下限为；限幅2上下限为；限幅3上限为10，下限为0；限幅4上下限为；限幅5上下限为

7、。659飞行轨迹稳定器图2俯仰通道增稳系统结构图图3偏差作动器的结构图这一部分是包括俯仰、滚转和偏航通道在内的飞行轨迹稳定控制器，在功能上也协调转弯控制。对于轨迹中涉及到的诸如飞行速度、高度保持和航向保持由一个反馈作动器来调节，其参数在输出到作动器后为防止超调，需要有限幅等措施。该系统在配平作动器前设有逻辑开关，由前飞速度、滚转角度和配平等参数决定开关的闭合，其逻辑开关接通需满足以下条件：前飞速度、滚转角、配平开关释放。