飛機控制系統設計方法及發展

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摘要：在飛機設計中，飛機控制系統的設計是一項十分重要的組成部分，它是否具備優良的性能和卓越的先進性，是決定飛機性能好壞以及能否在行業中處于領先地位的直接影響因素，所以，為了幫助讀者更深刻地理解實際飛機控制系統在實際中的應用，本文將主要的研究對象設為飛機控制系統，對飛機控制系統設計方法現狀與發展進行簡要探討。首先，筆者對飛機控制系統的發展歷程，即從簡單的機械操縱系統到助力操縱系統，從電傳操縱系統和綜合飛機控制系統到光傳操作系統，都進行了系統性的歸納闡述；其次，通過對飛機控制系統設計方法的發展歷程和飛機控制系統設計方法現狀的分析與研究，再結合我國飛機未來功能的可能性控制需求，筆者著重研究了飛機控制系統的重點發展方向，希望可以為后續飛機控制系統的設計與開發提供參考的理論材料。

關鍵詞：飛機控制系統；飛行控制；現狀；發展；研究分析

自從1903年Wright兄弟實現首次有人駕駛飛機以來，人們就不曾停止過對飛機控制系統以及飛機控制系統設計方法的研究和分析，細細數來，分級控制系統的發展歷經了數百年之久。隨著國家軍事需求的發展和人們經濟水平的提升，對飛機控制系統的要求也越來越嚴格，飛機控制系統對于飛機作戰性能、可靠性、實用性都有著十分重要的影響，飛機控制系統設計方法的研究與分析也已經成為飛機設計的重中之重。為了滿足社會及人們對現代飛機性格的諸多要求，研究人員在飛機系統的控制系統、控制對象、控制方式以及系統設計方法等方面都進行了優化和改進，努力將控制理論應用到飛機的飛行控制中，最終推動飛機設計的完善。

1飛機控制系統發展歷程

我國飛機控制系統主要可以分為兩大階段：傳統飛行控制階段和現代飛行控制階段。傳統飛行控制階段又可以分為早期的助力機械操作系統與自動駕駛儀、增穩與控制增穩系統以及自動飛行控制系統三個小階段：傳統飛行控制階段發展初期，助力機械操作系統滿足了當時第二次世界大戰的軍事需要，優化了飛行員的操縱體驗，具有首次切斷駕駛桿和舵面直接聯系的歷史性意義，是FCS發展史上的一次重要變革；隨著時代的發展，飛機的性能更傾向于滿足飛得更高、飛行包線擴得更大、飛機操穩特性變化更劇烈的要求，并且人工操縱系統已經不能滿足當時飛機發展的需要，因此，研究人員將增穩系統應用到人工操縱中，以此提升飛行控制的增穩性能，實現了FCS發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大和飛機操穩特性劇烈的問題，解決了穩定性和操縱性之間的矛盾；然而，科技的進步推動了自動駕駛技術范圍的擴大，飛機控制系統逐漸走向傳統飛行控制系統發展的末端，大部分飛機都能夠適應自動駕駛技術的改革，成功建立較為完善的自動飛行控制系統，這種系統可以更好地修補操縱性和穩定性之間的缺陷，更有效地提高了飛行人員的工作效率，以實現更精準的航機控制。傳統飛行控制階段雖然飛機性能有所改變，但也只是局限在氣動布局、推進系統和機體結構之間的，其本質并沒有達到實質性的改變。為了解決這種情況下引發的諸多矛盾，有研究人員提出了主動控制技術的技術理念，打破傳統飛行控制階段三者之間協調和優化的局面，實現飛控、氣動、結構和推進四者之間的協調和優化，這意味著飛行控制系統步入了現代飛行控制階段。現代飛行控制階段主要包含主動控制技術和電傳操縱系統、綜合飛行系統兩階段。前者被廣泛應用于軍事戰爭的戰斗機中，并伴隨著科技的進步現如今被充分應用到現役先進戰機、新型民機中，并正在被嘗試與直升機和公務機進行有機結合；后者在實際應用中雖然仍舊處于發展階段，但必須承認的是，綜合飛行系統是現代飛機控制系統發展的必然趨勢和必經之路，對于戰機、民機都有著十分顯著的影響。

2飛機控制系統設計方法

飛機控制系統是一個龐大的復雜的系統，它的設計過程是一個分階段的開發過程，首先，需要將飛機控制系統的功能需求在設計階段做逐步分解；其次，需要對功能需求分解和設計方法進行逐級逐步的驗證和測試，只有當所有的功能測試都完成且確認無誤后，才可以看作是飛機控制系統設計環節的閉合。對于飛機控制系統而言，飛行控制律的開發與研究是一項重要的組成部分，它的設計過程復雜，是一項融合了多種學科開發的過程。如果我們將飛行控制律的設計過程進行簡化，大體可以獲得四種主要的迭代回路，它們分別是離線設計、人在回路中仿真、鐵鳥實驗和飛行試驗四種。通過這四種迭代回路，我們可以分析設計方法的結果和性能是否穩定、飛機的增穩性能和操縱性能是否適合有人操作、真實條件下飛機性能是否能正常操作，以及飛機控制系統最終是否能夠滿足設計階段用戶的需求。科技的發展和用戶需求的提升使得現代飛機的飛行控制系統具有一定的復雜性，這也增加了控制律的設計難度，控制律設計必然是需要經過多次、反復的設計測試和調整的，因此，需要反復重復迭代試飛和調整。飛機控制系統設計除了需要根據飛機執行不同的飛行任務來選擇不同的控制構型外，還應使用不同的飛機控制系統方法比較和分析控制律的傳動比，最終完成控制律設計。

3現代飛機飛行控制律設計方法概述

3.1線性二次型最優控制

線性二次型最優控制采用的是數學領域中準確的性能指標描述系統的性能規范，該理論的要求嚴格，不將模型誤差和外界干擾考慮到模型中，強調和明確數學模型的系統性和精準性。然而，在實際的設計和研發過程中，不存在絕對的無干擾因素環境，這些不確定的因素是不可避免的，所以，在飛行控制系統設計中，應用線性二次型最優控制時，還需要考慮到魯棒性問題，為了解決這一問題，我們可以在設計過程中采用頻域加權法，再結合經典控制理論，才能將線性二次型最優控制設計方法的作用充分且成功地發揮出來。

3.2非線性動態逆控制

反饋線性化方法，也叫精確線性化方法，是非線性動態逆控制設計理論中最成熟的理論觀點之一。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逆方法兩部分，其中動態逆被廣泛應用于飛行控制系統的理論研究和實際操作，在大仰角超機動飛機、直升機和無人機等機種中起到了顯著的作用。當飛行動態系統精準固定時，飛機控制系統所受到的干擾都可以以建模的方法準確地呈現出來，在這種前提下，動態逆算法才可以將非線性對象有效地轉換為線性化，但是，實際操作中要想達成這樣的前提是十分困難的，而一旦出現逆誤差，則會導致動態逆飛行控制系統的控制效果朝著惡化的方向發展，最終造成不可挽回的損失，因此，在采用非線性動態逆控制設計方法時，需要結合其他的控制設計方法如自適應調節器等補償動態來增強控制系統的魯棒性。

3.3自適應控制

早在20世紀50年代末，有學者為了解決飛行器自動駕駛的技術難題，率先提出了參考模型自適應控制理論，自此后自適應控制設計方法理論被不斷完善。適應控制的優點在于能夠自己控制和修正特性以適應動特性的變化，缺點則是當有干擾和未建模動態存在時，會缺少魯棒性。

3.4神經網絡

隨著科學技術和互聯網技術的發展，人工智能逐漸成為一門新興技術，并被嘗試著應用到各個領域，而神經網絡則是人工智能領域的研究熱點之一。相較于其他控制設計方法，神經網絡的優點主要體現在精確度上，它可以并行處理，也可以分布存儲，同時，具有高容錯、非線性運算等其他控制設計方法無法比擬的先進優勢，其高精密度甚至可以媲美非線性函數。神經網絡在我國飛機控制系統設計方法中的應用目前形成的體系主要分為兩大類：一種是神經網絡自適應控制，另一種是神經網絡動態逆控制。前者是對神經網絡和自適應控制的有機結合，發揮二者之所長互相彌補，使得飛機控制系統能夠保持最佳的工作狀態；后者則是基于神經網絡的基礎對非線性動態逆控制進行補償和完善，利用神經網絡彌補因模型不精準而產生的誤差，在簡化設計的同時，還可以提升整個飛行控制系統的控制效果。

4結語

飛行控制系統設計方法的發展是為了更好地服務飛機性能，其設計方法理論的提出是為了增強其控制性。然而，從目前的發展來看，許多設計方法還停留在理論階段和研究階段，要想將其投入實際研發和應用中，仍有很長的路需要走。如果在應用時只單純地使用一種飛行控制系統設計方法，這種飛行控制系統設計方法所存在的弊端會影響其控制性，影響優勢的發揮。因此，我們在研究和應用過程中，需要反復比較論證，發揮不同飛行控制系統設計方法的優點，通過有效的結合補償其缺點，以實現綜合控制。

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作者：李恒 張建 王亞寧 陳黎明 單位：海軍航空大學