CN103625637B - 一种大型飞机侧向阵风缓和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行控制技术，涉及对大型飞机侧向阵风缓和方法的改进。其特征在于，侧向阵风缓和的步骤如下：计算前方阵风引起侧滑角Δβ；计算方向舵补偿指令Rudc_f1；计算方向舵修正指令Rudc_f2；计算阵风超前抑制方向舵指令Rudc_f；计算阵风超前抑制副翼指令Ailc_f；计算压差侧滑角β_f；计算修正后的侧滑角β_fc；计算高频侧滑角计算低频侧滑角速率计算最终侧滑角β_c；计算最优控制方向舵指令Rudc_p；计算最优控制副翼指令Ailc_p；确定方向舵综合指令Rudc1；确定方向舵输入指令Rudc；计算副翼综合指令Ailc1；计算副翼输入指令Ailc。本发明提出了一种改进的大型飞机侧向阵风缓和方法，提高了阵风减缓效果，增强了乘员的舒适性。

Description

一种大型飞机侧向阵风缓和方法

技术领域

本发明属于飞行控制技术，涉及对大型飞机侧向阵风缓和方法的改进。

背景技术

所谓大型飞机侧向阵风缓和是一种主动控制技术，是指侧向阵风来临时通过控制方向舵和副翼等操纵面偏转以减轻侧向阵风作用在垂尾的气动载荷，减小飞机对阵风的横航向扰动响应，提高乘客乘坐舒适性。目前的一种大型飞机侧向阵风缓和方法的步骤参见美国专利“Apparatusandmethodforreducingaircraftloadsresultingfromatmosphericturbulenceandgusts”，(US5，669，582A)，其主要步骤是：

(1)利用压差传感器感受阵风作用时的垂尾压差；

(2)对压差进行补偿和修正得到阵风缓和的方向舵指令和副翼指令。

其缺点是：由于阵风的速度变化较快，加上测量本身有一定的延时，通常的作动器带宽很难满足阵风减缓的需求，所以阵风减缓效果不明显。

发明内容

本发明的目的是：提出一种改进的大型飞机侧向阵风缓和方法，以便提高阵风减缓效果，增强乘员的舒适性。

本发明的技术方案是：一种大型飞机侧向阵风缓和方法，在飞机机头安装有光雷达传感器，该光雷达传感器可测量飞机前方50m的阵风扰动，给飞机提供300ms的反应时间，在飞机垂直尾翼10％弦线处安装有压差传感器；设测得的前方阵风速度的测量值为V1，单位m/s，从机头左侧吹向机头右侧阵风速度为负，从机头右侧吹向机头左侧阵风速度为正；其特征在于，侧向阵风缓和的步骤如下：

1、计算前方阵风引起侧滑角Δβ：

$\mathrm{\Δ\β}=\mathrm{ta}{n}^{-1}\frac{V1}{V2}*57.3...\left(1\right)$

其中,V2为飞机当前地速；

2、计算方向舵补偿指令Rudc_f1：

Rudc_f1＝-z^β/z^δy·Δβ…………………………………………………(2)

其中，z^β为飞机侧向力系数对侧滑角大导数，z^δy为飞机侧向力系数对方向舵大导数；

3、计算方向舵修正指令Rudc_f2:

4、计算阵风超前抑制方向舵指令Rudc_f:

对方向舵修正指令Rudc_f2进行高通滤波得到Rudc_f，滤波器的交接频率为2.0rad/s～2.6rad/s；

5、计算阵风超前抑制副翼指令Ailc_f:

Ailc_f＝k1·Rudc_f………………………………………………………(4)

其中，k1＝0.1～1.5；

6、计算压差侧滑角β_f:当飞机进入阵风之后，压差传感器测得的压力差为ΔF,计算β_f计算公式为：

${\mathrm{\β}}_f=\mathrm{\ΔF}/q_c/c_z^d...\left(5\right)$

其中,q_c为动压,为飞机侧力系数对侧滑角小导数；

7、计算修正后的侧滑角β_fc：

β_fc＝β_f-wx·Lz/V-wy·Lx/V…………………………………………(6)

其中，V为大气数据计算机给出的真空速，Lz和Lx分别为垂尾处的压差传感器到飞机质心处的垂直和水平距离，wx为飞机滚转角速率，wy为飞机偏航角速率；

8、计算高频侧滑角对修正后的侧滑角β_fc进行高通滤波，得到高频侧滑角高通滤波器的交接频率ω等于30％的荷兰滚频率；

9、计算低频侧滑角速率

9.1、计算侧滑角速率β_d：

β_d＝g/V·nz-wy·cos(α)+wx·sin(α)+g/V·γ·cos(θ)…………(7)

其中，g为重力加速度，nz为飞机侧向过载，α为飞机迎角，θ为飞机俯仰角,γ为飞机滚转角；

9.2、对β_d进行低通滤波:对β_d进行低通滤波得到其中低通滤波器的交接频率等于ω；

10、计算最终侧滑角β_c：

${\mathrm{\β}}_c={\mathrm{\β}}_{\mathrm{fc}}^h-{\mathrm{\β}}_d^1/\mathrm{\ω}...\left(8\right)$

11、计算最优控制方向舵指令Rudc_p：

Rusc_p＝k2·β_c……………………………………………………………(9)

其中，k2＝0.5～0.9；

12、计算最优控制副翼指令Ailc_p：

Ailc_p＝Rudc_p·k3………………………………………………………(10)

其中,k3＝0.1～1.5；

13、确定方向舵综合指令Rudc1：

Rudc1＝Rudc_p+Rudc_f………………………………………………(11)

14、确定方向舵输入指令Rudc：

$\mathrm{Rudc}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Rudc}1& \mathrm{Rudc}1\≤\mathrm{\δRu}{d}_{\max }/4\\ \frac{\mathrm{\δRu}{d}_{\max }}{4}& \mathrm{Rudc}1>\mathrm{\δRu}{d}_{\max }/4\end{array}\right....\left(12\right)$

其中，δRud_max为可用的方向舵最大舵偏；

15、计算副翼综合指令Ailc1：

Ailc1＝Ailc_p+Ailc_f………………………………………………(13)

16、计算副翼输入指令Ailc：

$\mathrm{Ailc}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Ailc}1& \mathrm{Ailc}1\≤\mathrm{\δAi}{l}_{\max }/4\\ \frac{\mathrm{\δAi}{l}_{\max }}{4}& \mathrm{Ailc}1>\mathrm{\δAi}{l}_{\max }/4\end{array}\right....\left(14\right)$

其中，δAil_max为可用的副翼最大舵偏；

确定方向舵综合指令Rudc和副翼综合指令Ailc后，就完成了侧向阵风缓和的指令计算，对方向舵和副翼进行控制。

本发明的优点是：提出了一种改进的大型飞机侧向阵风缓和方法，提高了阵风减缓效果，增强了乘员的舒适性。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。一种大型飞机侧向阵风缓和方法，在飞机机身上安装有光雷达传感器，该光雷达传感器可测量飞机前方50m的阵风扰动，给飞机提供300ms的反应时间，在飞机垂直尾翼10％弦线处安装有压差传感器；设测得的前方阵风速度的测量值为V1，单位m/s，从机头左侧吹向机头右侧阵风速度为负，从机头右侧吹向机头左侧阵风速度为正；其特征在于，侧向阵风缓和的步骤如下：

1、计算前方阵风引起侧滑角Δβ：

$\mathrm{\Δ\β}=\mathrm{ta}{n}^{-1}\frac{V1}{V2}*57.3...\left(1\right)$

其中,V2为飞机当前地速；

2、计算方向舵补偿指令Rudc_f1：

Rudc_f1＝-z^β/z^δy·Δβ…………………………………………………(2)

其中，z^β为飞机侧向力系数对侧滑角大导数，z^δy为飞机侧向力系数对方向舵大导数；

3、计算方向舵修正指令Rudc_f2:

4、计算阵风超前抑制方向舵指令Rudc_f:

对方向舵修正指令Rudc_f2进行高通滤波得到Rudc_f，滤波器的交接频率为2.0rad/s～2.6rad/s；

5、计算阵风超前抑制副翼指令Ailc_f:

Ailc_f＝k1·Rudc_f………………………………………………………(4)

其中，k1＝0.1～1.5；

6、计算压差侧滑角β_f:当飞机进入阵风之后，压差传感器测得的压力差为ΔF,计算β_f计算公式为：

${\mathrm{\β}}_f=\mathrm{\ΔF}/q_c/c_z^d...\left(5\right)$

其中,q_c为动压,为飞机侧力系数对侧滑角小导数；

7、计算修正后的侧滑角β_fc：

β_fc＝β_f-wx·Lz/V-wy·Lx/V…………………………………………(6)

其中，V为大气数据计算机给出的真空速，Lz和Lx分别为垂尾处的压差传感器到飞机质心处的垂直和水平距离，wx为飞机滚转角速率，wy为飞机偏航角速率；

8、计算高频侧滑角对修正后的侧滑角β_fc进行高通滤波，得到高频侧滑角高通滤波器的交接频率ω等于30％的荷兰滚频率；

9、计算低频侧滑角速率

9.1、计算侧滑角速率β_d：

β_d＝g/V·nz-wy·cos(α)+wx·sin(α)+g/V·γ·cos(θ)…………(7)

其中，g为重力加速度，nz为飞机侧向过载，α为飞机迎角，θ为飞机俯仰角,γ为飞机滚转角；

9.2、对β_d进行低通滤波:对β_d进行低通滤波得到其中低通滤波器的交接频率等于ω；

10、计算最终侧滑角β_c：

${\mathrm{\β}}_c={\mathrm{\β}}_{\mathrm{fc}}^h-{\mathrm{\β}}_d^1/\mathrm{\ω}...\left(8\right)$

11、计算最优控制方向舵指令Rudc_p：

Rudc_p＝k2·β_c……………………………………………………………(9)

其中，k2＝0.5～0.9；

12、计算最优控制副翼指令Ailc_p：

Ailc_p＝Rudc_p·k3………………………………………………………(10)

其中,k3＝0.1～1.5；

13、确定方向舵综合指令Rudc1：

Rudc1＝Rudc_p+Rudc_f………………………………………………(11)

14、确定方向舵输入指令Rudc：

$\mathrm{Rudc}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Rudc}1& \mathrm{Rudc}1\≤\mathrm{\δRu}{d}_{\max }/4\\ \frac{\mathrm{\δRu}{d}_{\max }}{4}& \mathrm{Rudc}1>\mathrm{\δRu}{d}_{\max }/4\end{array}\right....\left(12\right)$

其中，δRud_max为可用的方向舵最大舵偏；

15、计算副翼综合指令Ailc1：

Ailc1＝Ailc_p+Ailc_f………………………………………………(13)

16、计算副翼输入指令Ailc：

$\mathrm{Ailc}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Ailc}1& \mathrm{Ailc}1\≤\mathrm{\δAi}{l}_{\max }/4\\ \frac{\mathrm{\δAi}{l}_{\max }}{4}& \mathrm{Ailc}1>\mathrm{\δAi}{l}_{\max }/4\end{array}\right....\left(14\right)$

其中，δAil_max为可用的副翼最大舵偏；

确定方向舵综合指令Rudc和副翼综合指令Ailc后，就完成了侧向阵风缓和的指令计算，对方向舵和副翼进行控制。

本发明的工作原理是：利用光雷达传感器直接飞机前方50m的阵风扰动，给飞机提供300ms的反应时间，驻存在飞行控制计算机中的阵风缓和控制律依据阵风信息解算出有效的阵风超前抑制舵面偏置指令，实现对进入阵风初始时刻扰动的有效抑制，减小飞机进入阵风区域的颠簸与不舒适感。在进入阵风区域后，飞行控制计算机利用机载压差传感器信息获得当前位置的阵风数据。阵风缓和控制律对该数据进行补偿和修正，计算得到最优的阵风缓和控制指令，最后将阵风超前抑制指令和最优控制指令相结合得到阵风缓和控制的方向舵和副翼指令，同时为了减少阵风缓和对飞控系统安全性影响，对阵风缓和控制的方向舵和副翼指令进行限幅。

实施例:

输入条件前方50m处侧风速度为10m/s，初始时刻，某大型飞机速度V＝250kn,H＝39800ft,Lz＝2m,Lx＝5m,wx＝0,wy＝0,方向舵最大舵偏30°，副翼最大舵偏25°,荷兰滚频率为1.3rad/s,计算采样周期10ms,

α＝θ＝3.33,z^β＝-0.1606,z^δy＝0.1358；

1、计算前方阵风引起侧滑角Δβ：Δβ＝4.44；

2、计算方向舵补偿指令Rudc_f1：Rudc_f1＝5.25；

3、计算方向舵修正指令Rudc_f2:Rudc_f2＝Rudc_f1＝5.25；

4、计算阵风超前抑制方向舵指令Rudc_f：Rudc_f＝5.115；

5、计算阵风超前抑制副翼指令Ailc_f：Ailc_f＝2.558；

6、计算压差侧滑角β_f:β_f＝0；

7、计算修正后的侧滑角β_fc：β_fc＝0；

8、计算高频侧滑角

9、计算低频侧滑角速率

10、计算最终侧滑角β_c：β_c＝0；

11、计算最优控制方向舵指令Rudc_p：Rudc_p＝0；

12、计算最优控制副翼指令Ailc_p：Ailc_p＝0；

13、确定方向舵综合指令Rudc1：Rudc1＝5.115；

14、确定方向舵输入指令Rudc：Rudc＝5.115；

15、计算副翼综合指令Ailc1：Ailc1＝2.558；

16、计算副翼输入指令Ailc：Ailc＝2.558。

至此完成了一个采样周期的阵风缓和仿真计算。

Claims (1)

1.一种大型飞机侧向阵风缓和方法，在飞机机头安装有光雷达传感器，该光雷达传感器可测量飞机前方50m的阵风扰动，给飞机提供300ms的反应时间，在飞机垂直尾翼10％弦线处安装有压差传感器；设测得的前方阵风速度的测量值为V1，单位m/s，从机头左侧吹向机头右侧阵风速度为负，从机头右侧吹向机头左侧阵风速度为正；其特征在于，侧向阵风缓和的步骤如下：

1.1、计算前方阵风引起侧滑角Δβ：

$\mathrm{\Δ\β}={\tan }^{-1}\frac{V1}{V2}*57.3...\left(1\right)$

其中,V2为飞机当前地速；

1.2、计算方向舵补偿指令Rudc_f1：

Rudc_f1＝-z^β/z^δy·Δβ…………………………………………………(2)

其中，z^β为飞机侧向力系数对侧滑角大导数，z^δy为飞机侧向力系数对方向舵大导数；

1.3、计算方向舵修正指令Rudc_f2:

1.4、计算阵风超前抑制方向舵指令Rudc_f:

对方向舵修正指令Rudc_f2进行高通滤波得到Rudc_f，滤波器的交接频率为2.0rad/s～2.6rad/s；

1.5、计算阵风超前抑制副翼指令Ailc_f:

Ailc_f＝k1·Rudc_f………………………………………………………(4)

其中，k1＝0.1～1.5；

1.6、计算压差侧滑角β_f:当飞机进入阵风之后，压差传感器测得的压力差为ΔF,计算β_f计算公式为：

${\mathrm{\β}}_f=\mathrm{\ΔF}/q_c/c_z^b...\left(5\right)$

其中,q_c为动压,为飞机侧力系数对侧滑角小导数；

1.7、计算修正后的侧滑角β_fc：

β_fc＝β_f-wx·Lz/V-wy·Lx/V.............................................(6)

其中，V为大气数据计算机给出的真空速，Lz和Lx分别为垂尾处的压差传感器到飞机质心处的垂直和水平距离，wx为飞机滚转角速率，wy为飞机偏航角速率；

1.8、计算高频侧滑角对修正后的侧滑角β_fc进行高通滤波，得到高频侧滑角高通滤波器的交接频率ω等于30％的荷兰滚频率；

1.9、计算低频侧滑角速率

1.9.1、计算侧滑角速率β_d：

β_d＝g/V·nz-wy·cos(α)+wx·sin(α)+g/V·γ·cos(θ)............(7)

其中，g为重力加速度，nz为飞机侧向过载，α为飞机迎角，θ为飞机俯仰角,γ为飞机滚转角；

1.9.2、对β_d进行低通滤波:对β_d进行低通滤波得到其中低通滤波器的交接频率等于ω；

1.10、计算最终侧滑角β_c：

${\mathrm{\β}}_c={\mathrm{\β}}_{\mathrm{fc}}^h-{\mathrm{\β}}_d^1/\mathrm{\ω}...\left(8\right)$

1.11、计算最优控制方向舵指令Rudc_p：

Rudc_P＝k2·β_c……………………………………………………………(9)

其中，k2＝0.5～0.9；

1.12、计算最优控制副翼指令Ailc_p：

Ailc_p＝Rudc_p·k3...……………………………………………………(10)

其中,k3＝0.1～1.5；

1.13、确定方向舵综合指令Rudc1：

Rudc1＝Rudc_p+Rudc_f………………………………………………(11)

1.14、确定方向舵输入指令Rudc：

$\mathrm{Rudc}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Rudc}1& \mathrm{Rudc}1\≤\mathrm{\δ}{\mathrm{Rud}}_{\max }/4\\ \frac{{\mathrm{\δRud}}_{\max }}{4}& \mathrm{Rudc}1>\mathrm{\δ}{\mathrm{Rud}}_{\max }/4\end{array}\right....\left(12\right)$

其中，δRud_max为可用的方向舵最大舵偏；

1.15、计算副翼综合指令Ailc1：

Ailc1＝Ailc_p+Ailc_f………………………………………………(13)

1.16、计算副翼输入指令Ailc：

$\mathrm{Ailc}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Ailc}1& \mathrm{Ailc}1\≤\mathrm{\δ}{\mathrm{Ail}}_{\max }/4\\ \frac{{\mathrm{\δAil}}_{\max }}{4}& \mathrm{Ailc}1>{\mathrm{\δAil}}_{\max }/4\end{array}\right....\left(14\right)$

其中，δAil_max为可用的副翼最大舵偏；

确定方向舵综合指令Rudc和副翼综合指令Ailc后，就完成了侧向阵风缓和的指令计算，对方向舵和副翼进行控制。