CN112882379B - 一种飞机纵向重心调配控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞机纵向重心调配控制方法，属于飞机试飞测试中的重心调配控制技术领域。所述控制方法包括以下步骤：步骤一、设定好可以启动调节的力矩量阈值及当前重心与目标重心偏差阈值；步骤二、计算要达到目的重心所需改变力矩量，并判断所述力矩量是否大于可以启动调节的力矩量阈值，进而控制电动球阀的开度，完成重心的调配。本发明采用FPGA实现液位信息采集及液位调节控制、电动球阀的开度调配以及控制方法，基于力矩量利用前馈和PID结合的算法控制电动球阀的开度，调动全部水箱参与重心调配，并采用预关闭方式提高重心调配控制方法的精度，调配快且精确。

Description

一种飞机纵向重心调配控制方法
技术领域
本发明涉及一种飞机纵向重心调配控制方法，属于飞机试飞测试中的重心调配控制技术领域。
背景技术
在飞机研制和试飞过程中，重心包线检测是最为重要的指标之一，直接影响飞机的飞行安全。重心调配系统是基于水介质的自动调配装置，已经被国际上民用飞行客机公司广泛应用。重心调配系统可以在飞机重心相关的试验飞行过程中实现重心快速、精确地调配，实现飞机重心在不同飞行阶段的重心保持等功能，并有效提高试飞效率，但现有的重心调配控制方法存在着调配精度低、实时性差和稳定性差的问题。重心调配系统的构成原理框图如图1所示。
重心调配控制系统是通过调配前后各个水箱中的水量来实现飞机重心的变化。本系统通过对出水口阀门、水泵、电动球阀的控制来实现各水箱水量的调配，由此来实现飞机重心的纵向调配。
发明内容
本发明的目的是提出一种飞机纵向重心调配控制方法，以解决现有技术中存在的问题。
一种飞机纵向重心调配控制方法，控制方法包括以下步骤：
步骤一、设定好可以启动调节的力矩量阈值；
步骤二、计算要达到目的重心所需改变力矩量，并判断力矩量是否大于可以启动调节的力矩量阈值，进而启动水泵和控制电动球阀的开度，完成重心的调配。
进一步的，在步骤一中，还包括：设定误差力矩量的阈值，误差力矩量为当前力矩量与所需改变力矩量的差值。
进一步的，在步骤二后还包括步骤三、在当前重心下的误差力矩量达到误差力矩量的阈值时，提前停止重心调配，以达到预关闭的目的。
进一步的，在步骤二中，具体包括以下步骤：
步骤二一、FPGA控制采集各水箱液位，计算飞机重心；
步骤二二、计算要达到目的重心所需改变的力矩量；
步骤二三、判断当前力矩量大于可以启动调节的力矩量的阈值，若是，则执行步骤二四；否则，执行步骤二五；
步骤二四、由前馈调节算法控制电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量，并返回步骤二一；
步骤二五、由PID控制算法调节电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量；
步骤二六、判断当前重心与目标重心的偏差是否小于当前重心与目标重心偏差阈值，若是，则结束重心调配；否则，返回步骤二一。
本发明的主要优点是：
(1)本发明采用全部水箱参与调配过程，充分调动全部水箱内的水从而加快重心的调配进程；
(2)本发明基于力矩量作为控制的误差量，采用前馈与PID结合的算法实现电动球阀的开度调节，更高效地完成重心调配；
(3)本发明采用预关闭策略，有助于提升重心调配的精确度；
(4)本发明利用FPGA实现，将控制逻辑固化在芯片中，提高了自动控制逻辑的实时性、准确性和稳定性。
附图说明
图1是本发明的一种飞机纵向重心调配控制方法基于的重心调配控制系统的系统原理框图；
图2是本发明的一种飞机纵向重心调配控制方法基于的重心调配控制系统的系统框图；
图3是本发明的步骤二的流程图。
其中，①到⑧为前组水箱，⑨到
Figure GDA0003810687920000031
为后组水箱，1到8为前组水箱对应电磁阀，9到16为后组水箱对应电磁阀，17、18、23到24为手动球阀，19到22为电动球阀，B1到B4为水泵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种飞机纵向重心调配控制方法，系统通过调配不同水箱中的水量来达到变化飞机重心的目标，具体通过控制水箱出水口阀门的关闭、泵的开关、电动球阀的开度来实现不同水量的调配，进而实现飞机重心的精确调配。该发明综合考虑飞机试飞的应用环境与应用目的：(1)应用环境为机载环境，要考虑到可靠性、稳定性和安全性因素。(2)应用目的是利用重心调配控制算法更好地实现飞机重心的调配。
基于以上对重心调配控制方法的分析，本发明采用FPGA实现液位信息采集控制、电动球阀的开度调配以及控制方法，基于力矩量利用前馈和PID结合的算法控制电动球阀的开度，调动全部水箱参与重心调配，并采用预关闭方式提高重心调配控制方法的精度。
本发明的一种飞机纵向重心调配控制方法，基于一种飞机纵向重心调配控制系统，该系统的设计方案框图如图2所示，重心调配控制系统工作时，控制方法会根据水对应的力矩量将水箱中的水实时向前或向后调配。整个系统工作时，所有水箱均参与调配，①和⑤为一组，②和⑥为一组，③和⑦为一组，④和⑧为一组，⑨和
Figure GDA0003810687920000032
为一组，⑩和
Figure GDA0003810687920000033
为一组，
Figure GDA0003810687920000034
和
Figure GDA0003810687920000035
为一组，
Figure GDA0003810687920000036
和
Figure GDA0003810687920000037
为一组，共8组水箱，前四组水箱为前水箱组，后四组水箱为后水箱组，重心向后调配时，所有的前水箱均输出水，所有的后水箱均输入水；重心向前调配时，所有的后水箱均输出水，所有的前水箱均输入水。具体的控制方法如下：
一种飞机纵向重心调配控制方法，控制方法包括以下步骤：
步骤一、设定好可以启动调节的力矩量阈值；
步骤二、计算要达到目的重心所需改变力矩量，并判断力矩量是否大于可以启动调节的力矩量的阈值，进而控制电动球阀的开度，完成重心的调配。
进一步的，在步骤一中，还包括：设定误差力矩量的阈值，误差力矩量为当前力矩量与所需改变力矩量的差值。
具体的，虽然重心调配系统控制的目标是飞机的重心，但是控制方法基于的误差量不是重心偏差，而是达到目标重心需要的介质(本系统中是水)对应的力矩量。
基于力矩作为控制变量的优点是控制的变化量是恒定的。因为在重心调配趋近与目标时，关泵后的惯性是一致的，即关泵后因为惯性仍然保持流动的水量是基本相同的，可以认为这些水量对应的力矩是相同的。
进一步的，在步骤二后还包括步骤三、在当前重心下的误差力矩量达到误差力矩量的阈值时，提前停止重心调配。
具体的，重心调配系统控制的介质是水，水不同于电子设备，具有一定的流动惯性。此外，系统中电动球阀的关闭存在惯性、泵关闭后也有一定的惯性。因而为了使飞机的重心能够精确到达目标重心位置采用的“预关闭”措施，即控制系统在当前重心下的误差力矩达到某个阈值时提前关闭调配系统。
进一步的，参照图3所示，在步骤二中，具体包括以下步骤：
步骤二一、FPGA控制采集各水箱液位，计算飞机重心；
步骤二二、计算要达到目的重心所需改变力矩量；
步骤二三、判断当前力矩量大于可以启动调节的力矩量的阈值，即第一阈值(图中阈值1)，若是，则执行步骤二四；否则，执行步骤二五；
步骤二四、由前馈调节算法控制电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量，并返回步骤二一；
步骤二五、由PID控制算法调节电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量；
步骤二六、判断当前重心与目标重心的偏差是否小于当前重心与目标重心偏差阈值，即第二阈值(图中阈值2)，若是，则结束重心调配；否则，返回步骤二一。
具体的，重心调配系统依靠泵提供动力，依靠改变电动球阀的开度控制重心调配的速度。前馈与PID结合是指进行重心调配时，重心调配逻辑有两个核心状态，即前馈调配与PID调配，控制算法的框图如图3中所示。
当飞机的实时重心与目标重心差距较大时，进行前馈调配，此时电动球阀的开度调制最大，在这个过程中重心变化速度较快，当实时重心与目标重心的误差进入一个阈值后，工作逻辑进入PID调配，此时电动球阀的开度变按照PID的控制结果实时精准调配，采用前馈与PID结合的控制算法可以提高重心调配的效率同时也能达到较高的调配精度。
上述控制策略是重心调配控制方法的核心，但是方法的实时性是效能的关键，为了保证传感器计算、执行机构的实施能够精确同步，所有的控制方法基于现场可编程逻辑器件(FPGA)设计，将控制逻辑实现于数字芯片中，更加保证自动控制逻辑的实时性与精确性。

Claims (2)

1.一种飞机纵向重心调配控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一、设定好可以启动调节的力矩量阈值；
步骤二、计算要达到目的重心所需改变力矩量，并判断所述力矩量是否大于所述可以启动调节的力矩量阈值，进而启动水泵和控制电动球阀的开度，完成重心的调配，
在步骤二后还包括步骤三、在当前重心下的误差力矩量达到所述误差力矩量的阈值时，提前停止重心调配，以达到预关闭的目的，
在步骤二中，具体包括以下步骤：
步骤二一、FPGA控制采集各水箱液位，计算飞机重心；
步骤二二、计算要达到目的重心所需改变的力矩量；
步骤二三、判断当前力矩量大于可以启动调节的力矩量的阈值，若是，则执行步骤二四；否则，执行步骤二五；
步骤二四、由前馈调节算法控制电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量，并返回步骤二一；
步骤二五、由PID控制算法调节电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量；
步骤二六、判断当前重心与目标重心的偏差是否小于所述当前重心与目标重心偏差阈值，若是，则结束重心调配；否则，返回步骤二一。
2.根据权利要求1所述的一种飞机纵向重心调配控制方法，其特征在于，在步骤一中，还包括：设定误差力矩量的阈值，所述误差力矩量为当前力矩量与所需改变力矩量的差值。
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