飞机控制系统设计方法及发展

摘要：在飞机设计中，飞机控制系统的设计是一项十分重要的组成部分，它是否具备优良的性能和卓越的先进性，是决定飞机性能好坏以及能否在行业中处于领先地位的直接影响因素，所以，为了帮助读者更深刻地理解实际飞机控制系统在实际中的应用，本文将主要的研究对象设为飞机控制系统，对飞机控制系统设计方法现状与发展进行简要探讨。首先，笔者对飞机控制系统的发展历程，即从简单的机械操纵系统到助力操纵系统，从电传操纵系统和综合飞机控制系统到光传操作系统，都进行了系统性的归纳阐述；其次，通过对飞机控制系统设计方法的发展历程和飞机控制系统设计方法现状的分析与研究，再结合我国飞机未来功能的可能性控制需求，笔者着重研究了飞机控制系统的重点发展方向，希望可以为后续飞机控制系统的设计与开发提供参考的理论材料。

关键词：飞机控制系统；飞行控制；现状；发展；研究分析

自从1903年Wright兄弟实现首次有人驾驶飞机以来，人们就不曾停止过对飞机控制系统以及飞机控制系统设计方法的研究和分析，细细数来，分级控制系统的发展历经了数百年之久。随着国家军事需求的发展和人们经济水平的提升，对飞机控制系统的要求也越来越严格，飞机控制系统对于飞机作战性能、可靠性、实用性都有着十分重要的影响，飞机控制系统设计方法的研究与分析也已经成为飞机设计的重中之重。为了满足社会及人们对现代飞机性格的诸多要求，研究人员在飞机系统的控制系统、控制对象、控制方式以及系统设计方法等方面都进行了优化和改进，努力将控制理论应用到飞机的飞行控制中，最终推动飞机设计的完善。

1飞机控制系统发展历程

我国飞机控制系统主要可以分为两大阶段：传统飞行控制阶段和现代飞行控制阶段。传统飞行控制阶段又可以分为早期的助力机械操作系统与自动驾驶仪、增稳与控制增稳系统以及自动飞行控制系统三个小阶段：传统飞行控制阶段发展初期，助力机械操作系统满足了当时第二次世界大战的军事需要，优化了飞行员的操纵体验，具有首次切断驾驶杆和舵面直接联系的历史性意义，是FCS发展史上的一次重要变革；随着时代的发展，飞机的性能更倾向于满足飞得更高、飞行包线扩得更大、飞机操稳特性变化更剧烈的要求，并且人工操纵系统已经不能满足当时飞机发展的需要，因此，研究人员将增稳系统应用到人工操纵中，以此提升飞行控制的增稳性能，实现了FCS发展史上的第二次重要变革，这一次变革较成功地解决了前面所提及的飞行包线扩大和飞机操稳特性剧烈的问题，解决了稳定性和操纵性之间的矛盾；然而，科技的进步推动了自动驾驶技术范围的扩大，飞机控制系统逐渐走向传统飞行控制系统发展的末端，大部分飞机都能够适应自动驾驶技术的改革，成功建立较为完善的自动飞行控制系统，这种系统可以更好地修补操纵性和稳定性之间的缺陷，更有效地提高了飞行人员的工作效率，以实现更精准的航机控制。传统飞行控制阶段虽然飞机性能有所改变，但也只是局限在气动布局、推进系统和机体结构之间的，其本质并没有达到实质性的改变。为了解决这种情况下引发的诸多矛盾，有研究人员提出了主动控制技术的技术理念，打破传统飞行控制阶段三者之间协调和优化的局面，实现飞控、气动、结构和推进四者之间的协调和优化，这意味着飞行控制系统步入了现代飞行控制阶段。现代飞行控制阶段主要包含主动控制技术和电传操纵系统、综合飞行系统两阶段。前者被广泛应用于军事战争的战斗机中，并伴随着科技的进步现如今被充分应用到现役先进战机、新型民机中，并正在被尝试与直升机和公务机进行有机结合；后者在实际应用中虽然仍旧处于发展阶段，但必须承认的是，综合飞行系统是现代飞机控制系统发展的必然趋势和必经之路，对于战机、民机都有着十分显著的影响。

2飞机控制系统设计方法

飞机控制系统是一个庞大的复杂的系统，它的设计过程是一个分阶段的开发过程，首先，需要将飞机控制系统的功能需求在设计阶段做逐步分解；其次，需要对功能需求分解和设计方法进行逐级逐步的验证和测试，只有当所有的功能测试都完成且确认无误后，才可以看作是飞机控制系统设计环节的闭合。对于飞机控制系统而言，飞行控制律的开发与研究是一项重要的组成部分，它的设计过程复杂，是一项融合了多种学科开发的过程。如果我们将飞行控制律的设计过程进行简化，大体可以获得四种主要的迭代回路，它们分别是离线设计、人在回路中仿真、铁鸟实验和飞行试验四种。通过这四种迭代回路，我们可以分析设计方法的结果和性能是否稳定、飞机的增稳性能和操纵性能是否适合有人操作、真实条件下飞机性能是否能正常操作，以及飞机控制系统最终是否能够满足设计阶段用户的需求。科技的发展和用户需求的提升使得现代飞机的飞行控制系统具有一定的复杂性，这也增加了控制律的设计难度，控制律设计必然是需要经过多次、反复的设计测试和调整的，因此，需要反复重复迭代试飞和调整。飞机控制系统设计除了需要根据飞机执行不同的飞行任务来选择不同的控制构型外，还应使用不同的飞机控制系统方法比较和分析控制律的传动比，最终完成控制律设计。

3现代飞机飞行控制律设计方法概述

3.1线性二次型最优控制

线性二次型最优控制采用的是数学领域中准确的性能指标描述系统的性能规范，该理论的要求严格，不将模型误差和外界干扰考虑到模型中，强调和明确数学模型的系统性和精准性。然而，在实际的设计和研发过程中，不存在绝对的无干扰因素环境，这些不确定的因素是不可避免的，所以，在飞行控制系统设计中，应用线性二次型最优控制时，还需要考虑到鲁棒性问题，为了解决这一问题，我们可以在设计过程中采用频域加权法，再结合经典控制理论，才能将线性二次型最优控制设计方法的作用充分且成功地发挥出来。

3.2非线性动态逆控制

反馈线性化方法，也叫精确线性化方法，是非线性动态逆控制设计理论中最成熟的理论观点之一。反馈线性化方法与小扰动线性方法不同，它包括微分几何方法和动态逆方法两部分，其中动态逆被广泛应用于飞行控制系统的理论研究和实际操作，在大仰角超机动飞机、直升机和无人机等机种中起到了显著的作用。当飞行动态系统精准固定时，飞机控制系统所受到的干扰都可以以建模的方法准确地呈现出来，在这种前提下，动态逆算法才可以将非线性对象有效地转换为线性化，但是，实际操作中要想达成这样的前提是十分困难的，而一旦出现逆误差，则会导致动态逆飞行控制系统的控制效果朝着恶化的方向发展，最终造成不可挽回的损失，因此，在采用非线性动态逆控制设计方法时，需要结合其他的控制设计方法如自适应调节器等补偿动态来增强控制系统的鲁棒性。

3.3自适应控制

早在20世纪50年代末，有学者为了解决飞行器自动驾驶的技术难题，率先提出了参考模型自适应控制理论，自此后自适应控制设计方法理论被不断完善。适应控制的优点在于能够自己控制和修正特性以适应动特性的变化，缺点则是当有干扰和未建模动态存在时，会缺少鲁棒性。

3.4神经网络

随着科学技术和互联网技术的发展，人工智能逐渐成为一门新兴技术，并被尝试着应用到各个领域，而神经网络则是人工智能领域的研究热点之一。相较于其他控制设计方法，神经网络的优点主要体现在精确度上，它可以并行处理，也可以分布存储，同时，具有高容错、非线性运算等其他控制设计方法无法比拟的先进优势，其高精密度甚至可以媲美非线性函数。神经网络在我国飞机控制系统设计方法中的应用目前形成的体系主要分为两大类：一种是神经网络自适应控制，另一种是神经网络动态逆控制。前者是对神经网络和自适应控制的有机结合，发挥二者之所长互相弥补，使得飞机控制系统能够保持最佳的工作状态；后者则是基于神经网络的基础对非线性动态逆控制进行补偿和完善，利用神经网络弥补因模型不精准而产生的误差，在简化设计的同时，还可以提升整个飞行控制系统的控制效果。

4结语

飞行控制系统设计方法的发展是为了更好地服务飞机性能，其设计方法理论的提出是为了增强其控制性。然而，从目前的发展来看，许多设计方法还停留在理论阶段和研究阶段，要想将其投入实际研发和应用中，仍有很长的路需要走。如果在应用时只单纯地使用一种飞行控制系统设计方法，这种飞行控制系统设计方法所存在的弊端会影响其控制性，影响优势的发挥。因此，我们在研究和应用过程中，需要反复比较论证，发挥不同飞行控制系统设计方法的优点，通过有效的结合补偿其缺点，以实现综合控制。

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作者：李恒 张建 王亚宁 陈黎明 单位：海军航空大学