1、第7章 主動控制技術（Active control technology-ACT）7.1 概述傳統飛機設計特點： 總體布局設計時，主要考慮氣動力、結構和發動機三大因素，并在它們之間進行折衷以滿足飛機的技術要求。 一般說這種飛機本身必須是穩定可飛的。 *飛行控制系統只處于被動地位。提供必要的控制，它僅對駕駛員的操縱或飛機的性能提供部分的改善，而無根本性的提高。 按傳統方法設計飛機，常常會在上述三大要素設計中產生矛盾且難于克服，限制了飛機性能提高。 主動控制技術概念傳統飛機設計過程主動控制的飛機 從飛機設計角度來說，主動控制技術就是：在飛機設計的初始階段，考慮飛機控制系統對飛機總體設計的影響，充分

2、發揮飛行控制的潛力的一種飛機設計技術 。 從飛行控制角度來說，主動控制技術就是：在各種飛行狀態下，通過飛行控制系統使作用在飛機上的氣動力按照需要變化，使飛機性能達到最佳，并使成本、使用費用降低的一種飛行控制設計技術。 主動控制飛機設計過程 主動控制技術的發展 六十年代中期：主動控制技術首先在美國發展 的一種飛機設計技術 。七十年代初：在很多航空工業發達國家開展了主 動控制技術的驗證工作。美國在發展主動控 制技術方面一直處于領先地位 。七十年代末：主動控制技術已開始廣泛用于 F-16A/B 、F-18 等飛機。八十至九十年代：A320 、B777等民機上采用。 我國從1978年秋開始 。 主動控

3、制的主要功能 放寬靜穩定性（Relaxed static stability RSS）邊限控制（Boundary Control BC）直接力控制（Direct Force Control ,DFC）陣風載荷減緩（Gust load Alleviation GLA）乘座品質控制（Ride Quality Control RQC 或 RC）機動載荷控制（Maneuvering load Control MLC）顫振模態控制（Flutter Mode Control FMC） 主動控制的特點 放寬靜穩定的或本身就是靜不穩定的，控制增穩保證飛機具有期望的飛行品質；采用電傳操縱系統，電傳操縱系統是實現

4、各種主動控制功能的物質基礎。采用多個操縱面，使飛行控制律更為復雜。主動控制飛機的駕駛艙布局和儀表顯示不同。采用新型綜合儀表顯示。達到三軸高過載能力，要求座艙應是抗高過載座艙等。7.2 放寬靜穩定性 放寬靜穩定性是主動控制技術中的最重要的功能。現代主要的軍用或民用飛機幾乎都具有這種功能。 將飛機的靜穩定性放寬，對提高飛機的性能極為有利。 放寬靜穩定的概念傳統飛機設計時，都要求將飛機設計成是靜穩定的，即重心應位于焦點之前，并應保持一定的距離，即要求有一定的靜穩定裕度。放寬靜穩定性設計，就是在飛機設計時，將飛機本身的靜穩定性要求放寬，使靜穩定裕度小于常規數值，也可以設計為中性穩定，甚至是靜不穩定的，

5、即可以將重心移至靠近焦點，甚至與焦點重合或位于焦點之后。 放寬靜穩定度的主動控制飛機和普通飛機的比較 放寬靜定性的效益 1.傳統飛機 靜穩定的飛機在水平直線飛行時，為使飛機配平，要求可動平尾前緣向下，產生負升力LP，并使：配平結果（1）升力L增加LP，需較大的攻角，增大配平阻 力，使巡航時發動機的消耗增大。（2）亞速飛行時靜穩定，在超音速飛行時，焦點大幅度后移，焦點后移，為了配平，就需平尾產生較大的負升力，配平時，升致阻力急劇增加。 （3）平尾偏度有限，配平平尾前緣向下偏轉減少 了爬升機動時可用平尾偏度,使飛機機動能 力變壞。 如希望保持平尾的可用偏度，則要求平尾面 積增加，從而使飛機重量增大

6、；（4）配平時，升力需要克服平尾的負升力，有用升 力降低，機動能力變壞。 如要保證機動能力，要求機翼更大升力，增 大攻角和機翼面積，飛機阻力增大，升阻比 降低，這種現象對小展弦比高性能飛機更為 突出。 2. 放寬靜穩定的飛機 當將飛機設計成是靜 不穩定的，即 水平直線飛行配平需 要平尾前緣向上偏轉， 平衡時需滿足下述方 程：設計結果：（1）阻力減少 配平時所需升力減少，故攻角減少，導致阻力降低。 阻力減少，將使飛機性能得到改善：在發動機推力一定時，提高平飛加速能力；飛機爬升率增大 ；飛機的容許升限增大，P=0時的高度 ；由于阻力減少,燃料消耗量降低，所以有效航程增大。 （2）減輕飛機的重量 （

7、3）有用升力增加 平尾升力為正升力，故增加了全機升力 。可以得到下述好處：總升力系數的最大值增加了，升力線斜率亦增加了；在同一總升力系數下，RSS所需攻角減小，升致阻力減少 ；RSS飛機，配平時平尾前緣向上，可用轉角增大，產生較大的攻角和升力；有用升力的增加，使飛機的機動能力提高，增大飛機的過載能力 ，提高飛機的轉彎角速度，降低飛機的轉彎半徑。 7.3 邊界控制技術1.定義：邊界控制系統是指對飛機的一些重要狀態變量的邊界值包線實現限制的飛行控制系統。2.目的：目的是減輕駕駛員的工作負擔，實現無擾慮操縱,保證飛機安全和實現飛機的作戰性能。 包線限制可分為如下幾種 ：與失去控制相對應的限制，主要為

8、飛機的攻角、側滑角和空速；與飛機結構應力過大相對應的限制，主要是對過載、滾轉角速率等參數的限制 ； 與飛行員耐力相關的限制，過載的大小以及在瞬變條件下，過載變化率的限制。 3. 兩種包線差別極限包線：超過該包線邊界將會引起飛機損 失。遵循下述準則： 就所有的駕駛指令而言，可達到的包線必須盡可能寬，而又不超過限制包線； 就某個穩定和有意義的駕駛指令，可達到的包線能夠擴大，盡可能寬不超過極限包線。4.攻角閉環邊界控制系統 攻角閉環邊界限制系統，常用的調節規律為攻角誤差的PID控制 ：對攻角信號難于進行直接微分，所以經常采用俯仰角速率反饋q來代替： 攻角邊界限制利用共同的升降舵 ：小機動操縱時，控制

9、增穩模態下工作。進行大迎角機動時應自動切換到邊界控制模態。7.4 直接力控制 1.概述 概念：直接力控制可以直接產生不改變姿態而期 望改變航跡的氣動力。 常規飛機：“力矩操縱”或“間接升力操縱”。改變航跡的氣動力是通過改變飛機的姿態，引起攻角或側滑角變化實現的,而姿態的變化又是通過氣動操縱面的偏轉產生力矩而實現的。 主要缺點： （1）升力或側力的建立或航跡的改變比較慢，在控制與航跡變化之產生時間滯后。 （大飛機進場著陸時，滯后可達到2-3秒。） 航跡變化的滯后，無法較好地補償力的擾動（如陣風擾動）。下圖表示了縱向拉桿時，飛機升力和高度的變化過程，從中可見軌跡滯后的過程。 (2) 舵面偏轉所產生

10、的氣動力與航跡運動所需氣動力是相反的，在開始時會產生一種相反的航跡變化，這也是很不利的。 例如，飛機進場著陸通過升降舵控制航跡上升時，就會產生一種下沉航跡,這對安全著陸是不利的， 特別是當飛機受到順風作用時，由于氣流速度的減少,升力受到損失，導致下沉速度，在這種情況下，升降舵拉升作用所產生的反向升力的不利作用，就更為明顯，這將使下沉速度進一步增大。（3）當飛機進行較大機動，例如加速俯仰姿態響應時,常常需要使升降舵有較大的偏轉，此時力矩可以得到改善,但它對升力及航跡的改變卻產生了壞的作用，上述時間延遲不僅不能縮小，甚至擴大了。（4）這種操縱使飛機轉動運動與平移運動強烈耦合，從而使飛機快速跟蹤軌跡

11、的能力降低了。直接力控制：通過附加操縱面的控制，不產生 力矩，直接產生升力或側力。 克服上述缺點； （1）增大了改善飛行特性的可能性，可以實 現力與力矩的解耦； （2）可用于改善飛機的時間響應特性； 2分類： 直接升力，直接側力及直接阻力或推力控制。 為了產生直接力，單憑一個操縱面是無法實 現的（除非這個操縱面所產生的空氣動力正 好作用于重心），需要配置其它輔助操縱面。 3.直接升力控制 產生直接升力需要一個直接升力控制系統，這種控制系統所控制的氣動操縱面有下述幾種方式: 1.水平鴨翼和水平尾翼聯動； 2.擾流器偏轉； 3.前緣襟翼對稱偏轉； 4.可變安裝角機翼偏轉； 5.水平鴨翼對稱偏轉加上

12、后緣襟翼的偏轉。 （1）水平鴨翼和水平尾翼聯動4. 直接側力 通常要由垂直鴨翼和方向舵配合來實現。 如果推力是可轉動的，也可以通過推力矢量來 產生側力。5.直接力控制時，應滿足如下要求： 操縱面的偏轉必須是快速連續可調的； 操縱面必須能產生正的和負的升力變化； 合成的直接力作用點應位于重心附近。 7.5 陣風減緩和乘座品質控制概述 陣風減緩是研究如何利用主動控制技術來減少陣風干擾下可能引起的過載，從而達到減輕機翼彎曲力矩和結構疲勞的目的。 乘座品質控制的目的是如何通過主動控制技術使機上的乘員在風干擾條件下也感到舒適。 兩種控制都根據風干擾條件下載苛減緩的程度來衡量其控制效果，是從不同角度出發的

13、具有相同功能的主動控制技術。飛機在陣風中飛行時，過載增量與下述因素有關： 飛行速度V0； 翼載P； 升力系數； 垂直陣風速度W0。為了減少大氣擾動對飛機結構強度的影響，減輕飛機的重量，需采用措施來減少大氣擾動所引起的法向過載，從而達到減輕飛機結構重量的目的。 陣風減緩和乘座品質控制系統帶有角速度反饋的阻尼系統以及電傳操縱系統，可以降低陣風引起的過載增量。理想的陣風減緩系統，必須設法消除陣風所引起的升力變化。應偏轉相應的操縱面，產生一個大小相等，方向相反的升力變化來抵消陣風的影響，其實質是直接力控制在抑制陣風干擾中的應用。機翼上的快速可調節的襟翼或副翼。也可使用機翼上的擾流片，但缺點是，處于中立

14、工作點（即不產生升力變化的工作位置）時，增大阻力。要求上述這些操縱面有較好的動態響應特性。為了減緩飛機上局部位置的陣風法向過載，還可以在指定的位置上安裝特殊的操縱面采用的控制方法：（1）開環控制方法 NB-52CVV所采用的開環補償方法。該系統利用法向加速度計，測量法向過載，并通過洗出網絡與低通濾波器，分別驅動左右水平鴨翼偏轉，產生一定的直接升力，克服垂直陣風影響。 其中洗出網絡的作用是消除定常的過載信號，從而保證不至于阻撓正常的機動。 （2）閉環控制方案 波音公司在小型民用客機DHC-6上進行了乘座品質控制系統的研究。應用對稱副翼偏轉和升降舵以及擾流片實現了垂直陣風減緩控制。 為了使乘座品質控制系統與人工操縱兼容使用各操縱面： 該飛機的原有操縱面進行分割，提供部分但足夠的權限用于陣風減緩系統；副翼分割出40的翼面用于陣風減緩控制；升降舵提供了20的翼面；擾流片僅用于進場著陸，從基本位置開始動作，增強副翼產生的直接升力，實現著陸過程中的乘座品質控制。 DCH-6的乘座品質控制系統結構重心處的法向加速度信號通過洗出網絡饋送給副翼和擾流片以改善飛機的乘座品質。但分析表明，加速度反饋將要減少飛機的短周期自然頻率并增大阻尼，使飛機對駕駛員輸入的響應變得遲緩。乘座品質控制必須與飛機的增穩控制系統結合起來進行設計。俯仰角速度信號通過低通濾波器和