基于自动飞行控制系统的反应型风切变改出策略研究

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1、基于自动飞行控制系统的反应型风切变改出策略研究摘要：对大气扰动下的大型飞机CATIII自动着陆控制律设计过程中应对反应型风切变改出控制以及基于最优和预测控制方法的飞机进场下滑干扰抑制进行了研究。通过典型飞行状态模拟和动力学模态建模仿真，验证了反应型风切变纵向改出的俯仰控制律、横侧改出的协调转弯控制律设计的有效性。关键词：自动飞行控制系统；反应式风切变；风场强度DOIDOI：10.11907/rjdk.l51133中图分类号：TP302文献标识码：A文章编号：16727800（2015）006001904基金项目基金项

2、目：作者简介作者简介：宣东（1969-），男，浙江杭州人，上海飞机设计研宄院高级工程师，研究方向为飞机设计及研制管理；宇漫霜（1970-），女，陕西西安人，民用飞机模拟飞行国家重点实验室高级工程师，研究方向为飞行试验验证。0引言低空风切变、大气紊流等非定常大气扰动现象严重影响了飞机飞行品质、乘坐品质和飞行安全。据中国民航局统计，1949-2005年，由于大气扰动及伴随的恶劣天气造成的飞行事故（含灾难性事故、一般事故）占总事故的30%以上［1］。据美国联邦航空局（FAA）统计，在1960-2000年，由大气扰动直接导致

3、或间接影响的飞行事故比例为41%［2］o随着飞机自身可靠性的不断提高，由于环境因素导致的飞行事故比例正不断上升。此外，飞机起飞离场和进场着陆时间约只占总飞行时间的5%，但有48%的飞行事故发生在该阶段这其中，由于低空风切变造成机组情境意识缺失及判断操作失误的约占该阶段事故的66%［3］。鉴于低空风切变对飞机起降安全性的严重威胁，FAA、美国宇航局（NASA）、荷兰德尔夫特技术大学（DFT）、加拿大多伦多大学（UTIAS）等许多著名的航空研究机构就风切变中人工操纵和自动改出控制策略进行了深入研究。在人工操纵改出方面，F

4、AA推荐了PitchGuidance、DiveGuidance、AltitudeGuidance3种典型的纵向改出策略［4］。尽管风切变改出问题己研究多年，但并不是每次穿越风切变飞行都能成功改出。随着大型商用飞机自身的安全性和自动化程度的不断提高，可以通过设计高可靠性的自动着陆控制系统取代机组人工操作，降低人工操纵的复杂度和操作负荷。飞机在着陆进场阶段若遭遇扰动风或恶劣天气，其飞行安全将遭受严重威胁。CATIII自动着陆系统可提高飞行的精确性和可靠性，同时降低飞行员的工作负荷，提高在恶劣气象条件下进场着陆的安全性［6

5、］。在CATIII自动着陆控制系统的基础上，研宄反应型低空风切变的安全改出飞行策略，并加入到飞机自动飞行控制系统中，则具有很强的现实意义和工程实用价值。1含扰动风影响的动力学建模建立飞机六自由度动力学模型以准确描述飞机空中运动的状态，将对飞行仿真研究、控制律设计及验证研宄起到基础性支撑作用。飞行动力学建模是飞行力学的经典内容，在此不再赘述，仅引用相关概念和公式。针对高亚音速民用飞机（Ma2.2.3拉平控制与仿真验证飞机在着陆之前，须通过拉平将下降率保持在0.6m/s以下，从而减轻着陆时的垂直冲击。如图5戶斤示，在着陆

6、前，要将飞机的航迹倾角从-丫变为-yR，须修正下滑道偏差d以实现飞机垂直速度改变。在下滑控制中加入下滑修正量d，当飞机下滑至15m以下时进行拉平控制，调节下降速度，使飞机可以拉平以备着陆。仍以V=76m/s、H=450m、丫=0的初始条件进行模拟试验。将拉平控制加入到下滑控制中，模拟飞机下滑-拉平-着陆的完整自动着陆过程。仿真结果如图6所示。从图6中可以看出，飞机沿下滑道平稳下降。在下降到15m以下时，进行拉平控制，飞机的飞行状态发生变化，俯仰角增大，飞机下降速度降低，进入平缓的拉平阶段，最终实现着陆。从飞机高度变化

7、曲线可以很清楚地反映飞机下滑-拉平-着陆的整个过程。下滑和拉平控制仿真表明，建立的动力学模型和控制律基本正确，可以实现飞机自动着陆。在此基础上，可进行飞机进场着陆时改出风切变的仿真分析。2.3用于横侧改出飞行的协调转弯控制律设计与验证2.3.1协调转弯控制律设计飞机的转弯是在方向舵和副翼的共同作用下完成，根据这一特点，以升降舵和副翼为输入，以偏航转弯率和横侧加速度为输出，进行转弯控制律设计，如图7所示。采用根轨迹设计法进行协调转弯控制律设计。2.3.2协调转弯仿真验证将设计出的转弯控制律加入到动力学模型中，模拟进行9

8、0deg转弯，从而验证转弯控制律。将动力学模型配平在定直平飞状态，12s后进行转弯飞行，转过90deg后再进入定直平飞状态，仿真结果如图8所7Jo从图8中可以看出飞行过程中，飞机的速度、迎角、俯仰角基本保持不变；俯仰角速度、侧滑角速度保持为0。转弯过程中，存在着一定的侧滑(3=-1.17deg),偏航角速度约为1.17deg/s,转弯完成后，