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0 引言
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随着人类对飞机飞行安全性要求的不断提升,以及飞行任务的日趋复杂,许多飞机采用了多人驾驶体制,如由2名或3名飞行员共同完成飞行任务。战斗类小飞机由于驾驶舱空间限制,通常为单人或双人驾驶体制;大型运输类飞机基于高安全性及长航时考虑,多为双人或三人驾驶体制。多人驾驶体制可以更好地分配飞行任务,确保在单人精力有限的情况下能正常地完成各项飞行操纵任务,并且可以实现对飞机状态的监控及操纵指令的检查确认。对于执行长航时飞行任务,多人驾驶体制可以实现飞行员轮换休息,避免疲劳驾驶。
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对于单人驾驶体制飞机,飞行员只能通过唯一的驾驶舱操纵装置实现对飞机的控制;而多人驾驶体制飞机通常具有2套驾驶舱操纵装置,分别由2名飞行员进行操纵,均可实现对飞机的控制。大型运输类飞机通常采用并排式双人操纵模式,左座为机长,右座为副驾,若配备有第3名飞行员,其主要负责对飞机状态的监控以及相关任务系统的管理;战斗类小飞机若为多人驾驶体制,一般为前后式双人操纵模式,前座为机长,后座为副驾。
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当前,空客飞机多采用侧杆操纵型式,左右操纵装置不联动,通过权限开关及逻辑实现控制指令的切换。波音飞机则多采用中央盘型式,左右操纵装置联动,按照“取平均”的理念实现操纵装置控制指令的综合,但当发生故障时,会导致操纵指令权限减小的现象。战斗类前后式双人操纵模式飞机,操纵装置也多为联动式。由于双人操纵装置的联动,造成了操纵指令综合较为复杂,需要考虑的因素较多。
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我国多人驾驶体制飞机研制起步较晚,特别是大型运输类飞机研制近些年才得到快速发展,对飞机复杂联动式操纵装置指令综合技术研究尚不完备。本文以保证电传飞行控制系统飞机操纵装置指令选取的正确性及合理性为目的,对双驾驶体制飞机联动式操纵装置指令综合问题进行研究,考虑操纵装置机械卡滞及操纵装置力、位移传感器信号故障等特情下操纵指令选取方法,同时提出操纵指令成形的设计考虑,并对指令综合逻辑算法进行仿真验证。
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1 双操纵装置型式
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双人驾驶体制飞机,每名飞行员各有一套操纵装置,飞行员通过对操纵装置施加操纵力,使操纵装置的位置发生变化,从而产生位移指令及力指令[1-3]。飞控计算机接收操纵装置的位移指令及力指令,通过信号监控和表决后,根据复杂的指令综合算法生成控制指令,经飞行控制律计算出升降舵、副翼及方向舵等舵面偏转指令,从而控制飞机俯仰、滚转及偏航运动。
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图1 操纵装置指令处理
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目前,控制飞机俯仰和滚转运动的驾驶舱操纵装置主要有三种型式:侧杆式、中央杆式及中央盘式。飞行员的纵向操纵产生控制飞机升降舵和平尾运动的偏转指令,飞行员的横向操纵产生控制飞机副翼和扰流板运动的偏转指令。其中,侧杆位于左右座的侧方,由单手进行操纵,且左右侧杆装置不联动,目前空客飞机多采用该型式,如图2所示。中央杆式及中央盘式位于左右座的正前方,通过机械设计实现两个操纵装置的联动,即飞行员控制一侧操纵装置运动时,另一侧操纵装置会随动。目前波音飞机多采用中央盘式,如图3所示。一些军用飞机考虑座舱空间及弹射功能通常采用中央杆式,如图4所示。对于控制方向舵偏转,当前空客飞机及波音飞机均采用左右座脚蹬联动操纵型式。
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图2 空客飞机侧杆操纵型式[4]
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图3 波音飞机中央盘操纵型式[5]
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图4 中央杆操纵型式[6]
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根据2个飞行员的座位位置,可分为左右并排操纵模式或前后操纵模式。大型运输类飞机多采用左右并排操纵模式;战斗类小飞机由于空间限制,多采用前后操纵模式。以上两种联动式操纵装置虽有区别,但它们对操纵指令综合造成的困难是相同的。因此,下面将以大型运输类飞机左右并排操纵模式为研究对象,对联动式操纵装置操纵指令综合技术进行研究。
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2 操纵装置组成
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操纵装置主要由操纵装置组件、力传感器、阻尼器、位移传感器及载荷机构等组成,图5所示为驾驶杆通道操纵装置示意图[7-8],各部分功能为:
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1)操纵装置组件:构成操纵装置运动的接口,对飞行员手脚操纵运动进行传递。
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2)力传感器:将飞行员的操纵力转换为力电信号。
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3)位移传感器:将操纵装置的运动转换为位移电信号。
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4)阻尼器:提供与操纵速度成比例的反馈力。
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5)载荷机构:提供与操纵位移对应的力,通常为弹簧装置。
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图5 驾驶杆通道操纵装置
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驾驶舱操纵装置的主要故障包括力传感器故障、位移传感器故障、卡滞和其它机械故障等。
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需要说明的是,左右操纵装置的联接通常安装有解脱机构或弹簧拉杆。解脱机构实现较为复杂,当机械形变超出设计值后能够实现左右操纵装置断开联接。这同时也限制了系统的刚度,若刚度太大,则机械形变无法产生,导致解脱功能无法实现。然而,系统刚度的降低会增加左右操纵装置指令输出的不一致性,影响飞行控制系统工作。
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解脱机构的优点在于单侧操纵装置发生卡滞故障后,另一侧进行操纵后能够实现左右操纵装置的解脱,正常侧操纵装置的操纵力不会变大,飞行员操纵负担轻。弹簧拉杆的实现方式相比解脱机构简单,且不影响系统刚度,左右操纵装置指令输出具有较好的一致性。缺点在于单侧操纵装置发生卡滞故障后,正常侧操纵装置的操纵力会变大,飞行员操纵负担较重。因此,解脱机构和弹簧拉杆的设计选取需要综合考虑,因操纵装置卡滞是极低概率工况,故针对这种极低概率工况系统的付出程度需要评估。在现役的大型飞机中,解脱机构和弹簧拉杆这两种技术都被广泛采用。本文的研究对象为弹簧拉杆方式,通过操纵指令综合技术解决卡滞故障带来的操纵权限减小及操纵力增大的问题。
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3 指令综合理念分析
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波音飞机多采用左右并排联动式操纵装置,操纵装置指令综合采取“左右取平均”的策略,将左右座操纵装置位移取平均后作为控制指令,如波音777飞机。当出现一侧操纵装置卡滞在非中立位置时,卡滞的操纵装置会产生位移指令,由于采用前述“左右取平均”的策略,卡滞产生的位移指令被平均,能够减小卡滞故障对操纵权限的影响。可以看出,波音777飞机操纵指令逻辑中并未实现机长指令优先逻辑,并且出现卡滞故障后仍然会减小操纵权限。
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在双人驾驶模式下,根据任务角色及责任划分,通常分为机长和副驾。机长为驾驶飞机责任人,主要负责任务决策及操纵飞机,副驾配合机长操纵飞机及进行状态监控。因此,机长的操纵指令应该优先于副驾的操纵指令,即当机长和副驾同时控制操纵装置时,飞控计算机需要优先选取机长的操纵指令作为飞机的控制指令。
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现代飞机广泛采用电传飞行控制系统,通过位移传感器及力传感器测量操纵装置的位移及力,从而获取飞行员操纵指令[9]。其中,位移传感器用于测量操纵装置位置的变化,力传感器用于测量飞行员施加在操纵装置的作用力。为了确保操纵装置指令测量的准确性及可用性,通常配备多余度位移传感器及力传感器。即便如此,从设计上也需考虑传感器信号故障后如何选取合适的操纵指令。其次,操纵装置由机械系统实现,可能会出现操纵装置卡滞到某一位置的情况。在此故障模式下,飞行员只能操纵正常的操纵装置控制飞机。因此,需在操纵装置卡滞故障模式下,尽量避免卡滞一侧操纵装置的影响,并且保证飞行员具有最大的操纵权限。
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综上所述,双人驾驶联动式操纵装置指令综合理念如下:
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1)遵循机长操纵指令优先原则;
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2)需要在操纵装置传感器故障情况下综合得出期望的指令;
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3)需尽量避免操纵装置卡滞对操纵权限的影响。
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4 指令综合逻辑设计
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根据指令综合理念,指令综合目标如表1所示。由于机械卡滞与传感器故障同时发生的概率极低,因此不考虑该种情况。另外,当两侧操纵装置都卡滞时,飞机将无法控制,因此,在机械系统设计上需要避免出现同时卡滞现象,从操纵指令综合角度,不考虑这种极端工况。
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飞控计算机分别接收左右座操纵装置的多余度位移信号和力信号,并根据信号一致性监控对信号进行有效性判断,综合出左座和右座的位移、力信号故障标识;通过余度表决算法表决出左座和右座的位移、力信号表决值,供飞控系统监测操纵装置工作状态及操纵指令综合使用。
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根据操纵指令综合需求及飞控系统对传感器信号监控表决结果,可建立操纵指令综合算法,如图6所示,其功能如下:
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图6 操纵指令综合
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1)左座位移信号正常,且操纵标识为左座,则选取左座位移信号为指令信号;
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2)左座位移信号正常和操纵标识为左座这两个条件中至少有一个不满足的情况下,若右座位移信号正常,且操纵标识为右座,则选取右座位移信号为指令信号;
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3)若左座位移信号正常和操纵标识为左座这两个条件中至少有一个不满足,并且右座位移信号正常和操纵标识为右座这两个条件中至少有一个不满足,则选择位移信号正常的操纵装置的位移指令,且遵循左侧优先原则;
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4)若左侧和右侧位移信号均故障,则选择力信号正常的操纵装置力指令,同样遵循左侧优先原则。
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图6中的操纵标识逻辑算法结构如图7所示。
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图7 左右座操纵装置操纵标识
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根据图7可知,依据左右座操纵装置力信号及信号故障标识,生成操纵标识,实现以下功能:
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1)左座力信号和右座力信号有一个故障时,则选择力信号未故障侧。
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2)左座力信号和右座力信号都故障时,则默认选择左座。
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3)左座力信号和右座力信号都正常时:
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a)左座力信号和右座力信号都小于启动门限值(认为无操纵),则默认选择左座;
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b)左座力信号和右座力信号都大于启动门限值,则选择左座;
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c)左座力信号大于启动门限值,右座力信号小于启动门限值,则选择左座;
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d)左座力信号小于启动门限值,且右座力信号大于启动门限值,则选择右座;除非左座力信号大于启动门限值,否则一直选择右座。
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图7所示逻辑的核心思想是通过识别操纵力来确定机长或副驾的操纵,上述2)中考虑了左右座操纵力信号均故障的情况,在这种情况下已经无法判断出是机长还是副驾在操纵,遵循机长指令优先的理念,默认操纵标识为左侧。上述3)中的a)条考虑了左右座操纵力信号均正常,并且都小于启动门限值的情况,即左右座都处于无操纵状态,操纵标识选择左座或右座均可。在左座指令优先的理念下,与其它工况保持统一,将操纵标识默认为左侧。
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根据图6和图7所示算法,即可实现主驾优先原则。当一侧操纵装置卡滞时,只要飞行员不操纵卡滞侧操纵装置,上述指令综合方法可以保证选择未卡滞侧操纵装置位移指令,并且为全权限指令。另外,该指令综合方法考虑了力信号故障、位移信号故障等故障模式。
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5 操纵指令成形设计考虑
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操纵指令成形是将操纵装置指令综合后的结果转换为控制指令。电传飞控系统飞机的操纵指令对应的是被控飞行参数,这也是与传统机械飞机最大的不同之处。电传飞控系统能够根据不同的飞行阶段和任务要求,通过调整操纵指令来实现控制指令的转换,从而改善飞机的响应特性。这样可以使飞机的操纵特性更加适应飞行任务的需求[10]。例如,在飞机的纵向控制中,常见的操纵指令包括迎角指令、法向过载指令或俯仰角速率指令等[11]。
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操纵指令成形表征了操纵输入与期望飞机响应的静态对应关系,是影响飞机操纵性的重要环节。相关飞行品质规范中对操纵指令成形有明确的要求,如GJB2874-1997(《电传操纵系统飞机的飞行品质》)中的俯仰轴操纵力、滚转轴操纵效能、偏航轴操纵效能等要求[12]。
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操纵指令成形时需要重点考虑操纵灵敏性及机动性,一般需要遵循以下原则:
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1)中小操纵时,要降低灵敏性,从而确保能够精确操纵;
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2)大操纵时,要提高灵敏性,保证能够快速机动;
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3)中小操纵与大操纵的响应灵敏度变化不宜过大,应过渡平滑。
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典型的指令成形有如下3种方式:
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1)整体线性成形:在整个操纵位移范围内,飞行参数与操纵位移成线性比例关系,如图8(a)所示。该方法优点是设计简单,且飞行员在整个操纵位移范围内具有一致的操纵梯度感觉。
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2)分段线性成形:飞行参数与操纵位移成分段线性关系,如图8(b)所示。该方法优点是能够保证小幅值操纵与大幅值操纵都有最优的指令梯度。
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图8 指令成形方式
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3)曲线成形:飞行参数与操纵位移成曲线关系,如图8(c)所示。该方法优点是指令梯度在整个操纵位移范围内连续变化,且不同操纵幅值指令梯度各不相同,可保证小幅值精确操纵、中等幅值响应灵敏和大幅值对应最大机动能力。
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飞行员操纵飞机飞行时,对操纵装置的力和位移变化非常敏感,通常情况下操纵装置通过机械系统实现固定的力-位移特性。因此,指令成形设计时需要结合操纵装置的力-位移特性,从而获得良好的操纵力-飞机响应特性[13-14]。
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6 仿真结果
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将操纵装置正常状态、单侧卡滞故障及传感器故障三种工况下的操纵指令综合后进行仿真,通过设置左右操纵装置力传感器数值、位移传感器数值及传感器故障标识实现对工况的模拟。以左侧操纵装置操纵力15 N及操纵位移20 mm、右侧操纵装置操纵力30 N及操纵位移40 mm为例进行模拟仿真。
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图9为正常状态仿真结果:5~10 s时间段左侧进行操纵,操纵指令为左侧指令,10 s后左侧操纵装置回中;15~20 s时间段右侧进行操纵,操纵指令为右侧指令,20 s后右侧操纵装置回中;25 s后左右两侧操纵装置同时进行操纵,操纵指令为左侧指令。
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图9 正常状态仿真结果
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图10 单侧操纵装置卡滞故障仿真结果
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图10为单侧操纵装置卡滞故障操纵指令综合仿真结果:5~20 s时间段为单侧操纵(先左侧操纵,再右侧操纵);25 s时刻左侧再次进行操纵,当左侧操纵位移达到20 mm后出现了机械卡滞故障;30 s时刻不再操纵左侧操纵装置,卡滞故障导致30~35 s时间段操纵指令仍为左侧指令;35~40 s时间段操纵右侧操纵装置,操纵指令切换为右侧指令;40 s后右侧操纵装置回中,可看出操纵指令仍选取为右侧指令。
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图11为传感器故障工况仿真结果:第5 s时刻开始,左侧和右侧操纵装置同时进行操纵,5~10 s时间段传感器未发生故障,操纵指令为左侧操纵装置位移指令;10~15 s时间段设置左侧操纵装置位移传感器信号故障,操纵指令切换至右侧操纵装置位移指令;15~20 s时间段恢复左侧操纵装置位移传感器信号为正常状态,操纵指令切换至左侧操纵装置位移指令;20~25 s时间段设置左侧操纵装置力传感器信号故障,操纵指令切换至右侧操纵装置位移指令。
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根据上述仿真结果可知,操纵装置指令综合逻辑算法成功地实现了正常状态下单侧操纵和双侧同时操纵、单侧操纵装置卡滞故障和传感器信号故障情况下的操纵指令正确选取。
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图11 传感器信号故障仿真结果
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7 结论
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本文研究了双驾驶体制飞机联动式操纵装置指令综合问题。提出了指令综合设计理念及目标,并基于操纵装置的位移及力传感器信息,开发了一种操纵装置指令综合算法。仿真结果表明,该方法能够分别在操纵装置正常及故障状态下合理正确地综合出期望的操纵指令,提升了操纵装置指令选取的故障容忍度,保证了操纵权限。本文所研究内容能为飞机飞控系统操纵指令的综合设计提供参考。
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参考文献
-
[1] 白穆,庄达民.飞机驾驶舱操纵装置布局优化[J].民用飞机设计与研究,2009年(增刊1):152-155.
-
[2] 王睿,庄达民.基于动力学模型的飞行员舒适操纵域研究[J].计算机仿真,2006,23(8):26-29.
-
[3] 李瑞,庄达民,王睿,等.飞机座舱操纵装置空间布局优化设计[J].系统仿真学报,2004,16(6):1305-1307.
-
[4] 空客A320飞机侧杆里的秘密[EB/OL].(2020-06-04)[2024-03-31].https://www.sohu.com/a/399812536_628944?_trans_=000014_bdss_dklzxbpcgp3p:cp=.
-
[5] 波音737飞机操作杆重的故障分析[EB/OL].(2017-07-13)[2024-03-31].https://www.sohu.com/a/156955066_651535.
-
[6] 图-160轰炸机[EB/OL].(2019-01-07)[2024-03-31].http://www.360doc.com/content/19/0107/12/7535938_807197630.shtml.
-
[7] 范彦铭.飞行控制[M].北京:航空工业出版社,2021:688-700.
-
[8] 高亚奎,安刚,支超有.大型运输机飞行控制系统试验技术[M].上海:上海交通大学出版社.2015:226-230.
-
[9] 孙冲,邓海侠.某型机电传飞控系统位移传感器总体布置设计[J].直升机技术,2018,197(3):47-50.
-
[10] 宋翔贵,张新国.电传飞行控制系统[M].北京:国防工业出版社.2003:93-96.
-
[11] 李幼庆,张杨,李自强.电传飞控不同纵向指令形式系统响应特性分析[J].飞机设计,2019,39(1):1-4.
-
[12] 国防科学技术工业委员会.电传操纵系统飞机的飞行品质:GJB2874-97[S].北京:国防科学技术工业委员会,1997:206-298.
-
[13] 许志林,叶蕾.某驾驶员操纵装置非线性问题解决方案[J].教练机,2017,31(1):49-55.
-
[14] 方振平,陈万春,张署光.航空飞行器飞行动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社.2005:249-252.
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摘要
在现代电传飞行控制系统中,操纵装置指令综合扮演着至关重要的角色。特别是在采用双驾驶体制的飞机上,联动式操纵装置的使用大幅增加了操纵指令综合的复杂性。结合双驾驶体制飞机飞行员的角色定位及操纵装置的故障模式,分析了操纵装置指令综合理念,设计了指令综合逻辑算法,并研究了操纵指令成形的设计考虑。仿真结果表明,该方法成功地实现了双驾驶体制联动式操纵装置正常情况、传感器故障及单侧机械卡滞故障等工况下指令的正确选取,解决了电传飞行控制系统飞机复杂操纵装置系统高安全指令综合问题,具有良好的工程应用价值。
Abstract
Steering command synthesis is very important for modern fly-by-wire flight control system aircraft,especially the linkage steering mode of dual-pilot brings great complexity to control command synthesis. Based on the role of the pilot and the fault mode of the steering,this paper analyzes the command synthesis concept of the steering,designs the command synthesis logic algorithm,and studies the design consideration of the control command shaping. The simulation results show that this method successfully realizes the correct selection of the command under the conditions of the normal,sensor fault and one-sided mechanical stuck fault of the dual-pilot linkage steering,and solves the problem of high safety command synthesis of the complex steering of the fly-by-wire control system,which has good engineering application value.
Keywords
command synthesis ; command shaping ; cockpit steering ; flight control system