關于直升機飛行控制系統的研究

◎ 陳慧杰

引言：直升機具有靜不穩定性（在懸停和小速度狀態下）、強烈的操縱耦合、寬大的飛行范圍、危險的低高度飛行等特點，因此直升機必須加裝飛行控制系統來改善其特性。解決上述問題的一種方案是，采用以控制增穩系統SCAS為主，輔以自動駕駛儀系統，以改善直升機的操穩性能，減小軸間耦合，從而減輕駕駛員的工作負荷。為了驗證該方案的可行性，在計算機環境下搭建虛擬系統并開展仿真驗證。結合仿真實驗效果，該飛行控制系統可以較好的完成自動駕駛任務，具有較強的實用價值。

一、直升機飛行控制系統的結構組成

1.傳感器模型。

傳感器是電氣控制中不可或缺的重要元件。在直升機的飛行控制系統中，各類前端設備上需要串聯相應功能的傳感器，例如溫度傳感器、風速傳感器、壓力傳感器等等。利用傳感器采集相應的溫度、壓力參數，這些參數可以通過內置通信單元，同步的傳輸到計算機飛行控制終端，然后根據傳感信號，作出同步響應，并發送飛行控制指令，實現自動駕駛。在仿真實驗中，也需要設置若干種傳感器模型，用于提供仿真實驗所需的各種模擬信號。另外，在數據庫中提供了若干個數據存儲單元，為數據調用提供了便利，有助于增強飛行控制系統的快速響應能力。

2.伺服電機模型。

在飛行控制系統做出了相應的控制指令后，這些控制信號沿著線路傳輸到前端設備，然后由伺服電機提供動力，控制前端設備做出相應的動作。伺服電機作為整個飛行控制閉環控制系統中的重要組成，在仿真實驗中也需要設置若干臺伺服電機。目前在飛行控制系統中，根據助力方式的不同，伺服電機又可以分為多種形式，比較常用的有機械液壓助力、真空助力兩種。

3.串聯舵機模型。

針對各種舵機實物建立簡單的等效線性模型以及更為準確的非線性模型，并針對飛控系統采用的串、并聯舵機復合操縱方式，建立完整的仿真模型。由于總距串聯舵機靠俯仰、左橫滾、右橫滾串聯舵機共同動作來實現總槳距的運動。仿真中總距串聯舵機模型與其它軸串聯舵機結構相同，其傳動比進行相應折算。

4.大氣模型。

直升機在飛行過程中，遇到大氣擾動會對飛行安全產生較大的影響，為了保證直升機能夠在遇到大氣紊流時仍然能夠保證穩定、安全的飛行，在飛行控制系統中必須要增加大氣模型?？紤]到大氣穩流具有很強的隨機性，因此在仿真實驗中要想完全真實的模擬現實中的大氣擾動是不現實的。為此，在仿真實驗中一般將大氣擾動模型分為大氣紊流、離散突風和風切變模型三種。對直升機來說，可以使用按平穩隨機過程理論建立的大氣紊流速度一維頻譜的兩種形式，即Vol·Kalman形式和Dryden形式。這兩種形式的紊流頻譜模型都滿足各向同性大氣紊流的全部數學要求，且對于所有的高度都適用。

二、直升機飛行控制系統的仿真

針對飛行控制系統的功能，利用Simulink強大的分級建模能力，將體積龐大、結構復雜的飛行控制模型分解成飛控計算機、操縱桿系、伺服機構、直升機數學模型和傳感器等若干子系統。傳統的飛行控制仿真實驗中，通常會使用到三軸轉臺等相關設備，這樣雖然可以較好的模擬直升機真實飛行狀態，但是成本較高，且操作起來難度較大。在本次仿真實驗中，采用“快速原型設計”的方法，用高置信度的物理模型和低成本的計算機系統，搭建起還原真實飛行狀態的仿真環境。對比來看，基于快速原型的仿真設計，不僅提供了良好的人機交互界面，方便技術人員靈活方便的調整各項控制參數，而且還能夠實時反饋仿真結果。

通過利用MATLAB的RTW工具將Simulink框圖自動轉換為C代碼，經過少量改寫和加入實時控制機制，提供了一種從Simulink框圖平滑過渡到VC集成開發環境的途徑，省去了在VC中編寫模型代碼和控制代碼的繁瑣工作，在設計階段充分利用Simulink提供的各種豐富的有效工具，又使得最后實現的控制系統完全不依賴于MATLAB/Simulink環境，從而大大方便了系統的二次開發和整合。

三、直升機飛行控制系統的未來研發方向

1.綜合化與智能化控制。

近年來，AI技術在電氣化控制領域的應用越來越廣泛，這也為飛行控制系統向智能化方向發展提供了技術支撐?；诖髷祿治黾夹g和人工智能技術，讓計算機具備了強大的學習和記憶能力，在自動控制功能上也得到了進一步的豐富。例如，目前直升機的飛行控制系統，只能作為一種輔助功能。隨著智能化控制技術的成熟，未來將有望代替駕駛人員完成更多的操縱和控制，實現了全自動駕駛。近年來，基于HACT的飛行控制系統，在仿真實驗中已經完成了自動識別飛行狀態、自動調整直升機飛行參數等一系列功能，這些技術將有可能在下一代直升機的飛行控制系統中實踐應用。

2.模塊化與小型化部件。

對于飛行器來說，不僅是飛行控制系統，幾乎所有的電子元件、電氣設備都在朝著模塊化、小型化、微型化方向發展。特別是對于小型、無人駕駛直升機來說，飛行控制系統中控制元件、電子設備的集成化、模塊化也是一種重要研究方向。從實用功能來看，模塊化設備除了體積和重量減小，減輕了直升機的飛行負載外，還具有更強的穩定性、抗干擾能力，降低了飛行控制系統發生故障的概率，這也是保證控制安全的有效手段。

結語：近年來，直升機在民用領域得到了越來越廣泛的使用。同時，對于無人機的駕駛安全和飛行控制也提出了更為嚴格的要求。本文設計的一種基于快速原型設計理念，通過MATLAB平臺進行仿真實驗的飛行控制方案，根據仿真結果表明直升機飛行穩定。今后要繼續在控制智能化、設備模塊化領域加強研究，為直升機飛行控制系統的完善提供技術上和硬件上的支持。