電傳飛機加速度傳感器安裝位置對飛行品質的影響

張羽白，裴登洪，陳 林，冷國旗

（中航工業洪都，江西南昌330024）

0 引言

現代高性能戰斗機普遍采用電傳飛行控制系統，作為系統主要傳感器之一的加速度傳感器，為飛控系統提供法向和側向加速度反饋，供控制增穩、邊界限制等功能解算使用。而不同的加速度傳感器安裝位置，在飛行過程中會引起反饋參數偏離，對飛行品質產生影響。

本文首先分析由于加速度傳感器安裝位置在典型機動中所帶來的附加加速度。而后通過飛機本體三軸典型大機動的六自由度非線性仿真對比，分析不同加速度傳感器安裝位置所測加速度與重心處加速度的差異。最后分析將上述差異反饋入飛控系統后對飛機響應及飛行品質帶來的影響，并在此基礎上提出電傳飛行控制系統飛機的加速度傳感器安裝位置建議。

1 加速度傳感器安裝位置分析

《飛機設計手冊》第12分冊中對加速度傳感器安裝要求為“各軸（或各通道）傳感器可以組裝在一個機箱（LRU）內或分裝。傳感器的排列應考慮與被測量軸的關系，不致引起附加的通道誤差。機體結構變形引起的傳感器及其組件的結構應力應最小。加速度傳感器敏感軸與被測量軸的安裝（包括重復安裝）誤差應滿足規定的要求（一般應≤15′）。加速度傳感器應盡量安裝在飛機機體結構一、二次振型的波節處，以避免結構振動模態的耦合。傳感器還應盡量安裝在飛機重心處，或駕駛員座椅處。”

從以上描述可以看出，除卻對飛機結構一、二次振型的波節的考慮外，飛機加速度傳感器理論上應盡量安裝在飛機重心處，但在多數情況下，飛機總體布局從全機角度出發，飛機重心處通常要考慮油箱等的安置，因此加速度傳感器很難安裝在重心處，一般情況下，為消除非對稱安裝帶來的不利影響，加速度傳感器應布置在飛機對稱平面內。

飛機運動過程中，加速度傳感器安裝位置處的線加速度在六自由度仿真時的計算公式如下：

式中：nys、nzs—加速度傳感器安裝位置處的法向、側向加速度；

nyg、nzg—重心處的法向、側向加速度；

wx、wy、wz—滾轉、偏航、俯仰角速率；

lxs、lys—加速度傳感器相對參考重心的x、y向距離；

g—重力加速度。

從上述公式來看，在純軸向機動中，引起安裝位置處加速度與重心處加速度差異的主要因素有兩個，一個是加速度傳感器的安裝位置，另一個是軸向機動過程中的角加速度。而對軍用戰斗機而言，在三軸角加速度中，一般橫向大機動中的w˙x項較大。如果飛機加速度傳感器安裝位置不合適，即lys較大，在快速滾轉時，飛機加速度傳感器處的加速度與重心處的加速度，在快速滾轉的建立和結束過程會存在較大差異。

如果對加速度傳感器測得值進行位置修正，需要得到三軸角速度和角速度的微分，由于會導致系統時間延遲增大，因此通過陀螺反饋對加速度傳感器所測加速度進行位置修正不可行。為此，飛行控制系統設計中加速度傳感器的安裝位置需要慎重考慮。

2 加速度傳感器安裝位置假設

下文以某型電傳飛機為例，在飛機對稱平面內選擇三個加速度計安裝位置，通過六自由度非線性仿真分析其在三軸典型大機動過程中所帶來的影響，安裝位置的方案如表1所示，方案1距重心直線位置最近，方案2為駕駛員座椅處，方案3取折中位置。

表1 加速度傳感器安裝位置的變化

3 純飛機本體三軸大機動仿真對比分析

本節在上述三個方案的基礎上，選擇典型狀態點3km，0.7M（簡稱0307）在不帶飛行控制系統情況下進行純飛機本體的六自由度非線性仿真，對比分析不同加速度傳感器安裝位置在三軸典型大機動操縱時所測量加速度與重心處加速度的差別。

3.1 橫向純飛機仿真對比

首先對橫向大機動進行仿真分析。橫向仿真指令輸入如圖1所示，在1s～3s時間加入-14.4°副翼偏度指令階躍信號，產生的最大滾轉角速度約180°/s。

圖1 橫向純飛機仿真指令輸入

三個方案的橫向純飛機仿真對比如圖2～圖4所示，圖中實線表示重心位置過載，虛線表示加速度傳感器測量過載。

圖2 方案1側向過載對比

3.2 縱向純飛機仿真對比

純飛機縱向仿真分析。圖5為縱向純飛機仿真的指令輸入，在1s～3s時間加入-3.5°平尾指令階躍信號，產生的重心處最大法向過載為7.83g。

圖3 方案2側向過載對比

圖4 方案3側向過載對比

圖5 縱向純飛機仿真指令輸入

三個方案的縱向純飛機仿真對比如圖6～圖8所示，圖中實線表示重心位置過載，虛線表示加速度傳感器測量過載。

3.3 航向純飛機仿真對比

純飛機航向仿真分析。圖9為航向純飛機仿真的指令輸入，在1s～3s時間加入-6°方向舵指令階躍信號，純飛機航向響應表現出一定的弱阻尼特性。

圖6 方案1法向過載對比

圖7 方案2法向過載對比

圖8 方案3法向過載對比

圖9 航向純飛機仿真指令輸入

三個方案的航向純飛機仿真對比如圖10～圖12所示，圖中實線表示重心位置過載，虛線表示加速度傳感器測量過載。

圖10 方案1側向過載對比

圖11 方案2側向過載對比

3.4 對比分析結果

根據上述純飛機的仿真結果，對比三種方案在三軸典型大機動中加速度傳感器測量值和重心處過載的峰值差異，如表2所示。

圖12 方案3側向過載對比

表2 三種加速度傳感器位置方案在純飛機三軸典型大機動中的典型參數峰值差異

方案1：縱向和航向大機動操縱時加速度傳感器測量的加速度能夠比較真實的反應重心處過載，但由于加速度傳感器距參考重心的y向距離較大，在橫向大機動操縱時，加速度傳感器測量的側向過載在滾轉建立過程和結束過程中，滾轉角加速度會產生一個側向過載尖峰，尖峰值為0.68g，不能真實反映重心處的側向過載，如該反饋帶入飛行控制系統控制律解算，會產生一個非預期的方向舵偏度和側滑角。

方案2：由于加速度傳感器距參考重心的x向距離很大，在進行橫向、縱向和航向大機動操縱時，重心處法向過載與加速度傳感器測量法向過載在過載起始、結束時刻和峰值處存在較大差異，甚至航向大機動初始時刻存在反向。

方案3：橫向大機動操縱時加速度傳感器測量的加速度能夠比較真實的反應重心處過載，縱向和航向大機動操縱時，加速度傳感器測量加速度與重心處過載有一定差異，但可以接受。

4 帶飛行控制系統仿真對比

典型的電傳飛控系統控制律結構如圖13和圖14所示，如果法向和側向加速度反饋輸入帶入了由安裝位置產生的附加值，會產生額外的舵面偏轉指令，而此舵面偏度可能會在機動過程中產生影響，本節對此進行分析并仿真對比。

根據上節純飛機仿真對比結果，選取方案1和方案3進行帶飛行控制系統六自由度仿真對比，將方案1和方案3加速度傳感器安裝位置所測加速度引入飛控系統控制律反饋，分析帶飛行控制系統后由于加速度傳感器安裝位置不同對飛機響應的影響。

在0307狀態進行三軸階躍操縱的仿真對比，圖15為壓滿桿右滾的仿真對比，圖16為縱向拉滿桿的仿真對比，圖17為航向蹬滿腳蹬左偏航的仿真對比，均為在1s～3s內加入單軸操縱。

從圖15～圖17可以看出，帶飛控系統飛機加速度計傳感器安裝位置方案1和方案3，縱向和航向大機動的飛機響應曲線基本重合，但在橫向大機動中兩者差異很大。

圖13 典型縱向控制律結構

針對圖15分析快速滾轉的建立過程，各參數峰值對比如表3所示。方案3對比方案1在快速右滾過程中，法向過載第一個峰值相比減小0.38g，側向過載第一個峰值相比減小0.4g。

圖14 典型橫航向控制律結構

圖15 橫向滿桿右滾仿真對比

圖16 縱向拉滿桿仿真對比

圖17 航向蹬滿腳蹬仿真對比

表3 仿真曲線各參數第一個峰值

從表3可以看出方案3仿真曲線中側滑角、法向過載等參數響應明顯優于方案1。

5 加速度傳感器安裝位置建議

根據上述仿真對比分析，發現橫向快速滾轉對加速度傳感器安裝y向位置敏感，如果y向位置太大，在快速滾轉的建立和結束過程中，飛機加速度傳感器測得的加速度與重心處的加速度會存在較大差異，如該加速度反饋帶入飛行控制系統控制律解算，會產生一個非預期的方向舵偏度和側滑角使得快速滾轉品質變差。

由此，建議若加速度傳感器因總體布置等因素無法安裝于飛機重心處，則應安裝在飛機對稱平面內的水平軸線附近，y向位置盡可能小。

[1]飛機設計手冊.北京：航空工業出版社，2003.

[2]宋翔貴張新國.電傳飛行控制系統.北京:國防工業出版社,2001.