Airbus飛控系統(tǒng)的自動控制文獻(xiàn)綜述.doc

Airbus飛控系統(tǒng)文獻(xiàn)綜述 中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院 關(guān)于Airbus飛機(jī)飛控系統(tǒng)的自動控制文獻(xiàn)綜述前言現(xiàn)代民用航空飛機(jī)飛行操縱系統(tǒng)是飛機(jī)上的主要性關(guān)鍵性系統(tǒng)，他的工作性能好壞直接影響著飛機(jī)飛行的性能，也影響著飛機(jī)的安全性和乘坐品質(zhì)。而從飛機(jī)出現(xiàn)到今日，隨著科技的日益進(jìn)步和技術(shù)的成熟，飛控系統(tǒng)的許多方面都進(jìn)行著技術(shù)的進(jìn)步與改善。其中控制系統(tǒng)，最優(yōu)控制以及各類反饋控制與保護(hù)控制等尤其大量應(yīng)用在新出現(xiàn)的大型飛機(jī)上。很多的文獻(xiàn)也致力于這類技術(shù)，本文既為一簡要綜述，概括若干飛控系統(tǒng)上的新技術(shù)新應(yīng)用，以Airbus空中客車公司的研究為示范。操縱系統(tǒng)定義與分類飛機(jī)飛行操縱系統(tǒng)是飛機(jī)上所有用來傳遞操縱指令，驅(qū)動舵面運(yùn)動的所有部件和裝置的總合，用于控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)、氣動外形、乘坐品質(zhì)。駕駛員通過操縱飛機(jī)的各舵面和調(diào)整片實(shí)現(xiàn)飛機(jī)繞縱軸、橫軸和立軸旋轉(zhuǎn)，以完成對飛機(jī)的飛行姿態(tài)和飛行軌跡的控制。根據(jù)定義，飛行操縱系統(tǒng)可分為三個環(huán)節(jié)，即：中央操縱機(jī)構(gòu)，用于產(chǎn)生操縱指令，包括手操縱機(jī)構(gòu)和腳操縱機(jī)構(gòu)；傳動機(jī)構(gòu)，用于傳遞操縱指令；驅(qū)動機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動舵面運(yùn)動。圖1、飛控系統(tǒng)示意表1、飛控系統(tǒng)主要組成中央操縱機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)舵面手操縱機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動電傳操縱光傳操縱人力驅(qū)動液壓助力電動助力主操縱副翼升降舵方向舵腳操縱機(jī)構(gòu)輔助操縱襟翼、縫翼擾流板安定面自動控制系統(tǒng)在飛控系統(tǒng)的應(yīng)用自動控制系統(tǒng)包括經(jīng)典控制論和現(xiàn)代控制論，幾個點(diǎn)控制論在瑪克斯韋爾的微分方程穩(wěn)定性與奈奎斯特負(fù)反饋放大器與伊文思根軌跡法上提出。后由于越來越多場合要求高精度的處理多變量和非線性控制問題，20世紀(jì)60年代形成了現(xiàn)代控制理論。其中龐特里亞金的極大值原理，貝克曼的動態(tài)規(guī)劃法以及卡爾曼提出的最優(yōu)濾波理論是現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)。在飛機(jī)飛控系統(tǒng)中自動控制運(yùn)用廣泛，其中以Airbus空中客車公司的電傳操縱飛機(jī)運(yùn)用最為明顯，電傳操縱中，所有飛行員對操縱面的指令首先通過各類裝置收集進(jìn)入飛行控制計(jì)算機(jī)FCC，飛控計(jì)算機(jī)會根據(jù)指令的不同來優(yōu)化指令控制飛機(jī)各部分計(jì)算機(jī)，飛機(jī)操縱面移動后又會將數(shù)據(jù)返回各分支計(jì)算機(jī)與總計(jì)算機(jī)，以進(jìn)行反饋控制。最終以圖像和文字方式提醒駕駛員監(jiān)控。這使飛行操縱產(chǎn)生了質(zhì)的變化，使安全性進(jìn)一步上升。近年來飛控系統(tǒng)控制研究采擷1、 Thomas Bochot，Pierre Virelizier，Hlne Waeselynck and Virginie WielsModel Checking Flight Control Systems: the Airbus ExperienceAirbus France，University of Toulouse. 2009 IEEE&EI本文分為六個部分，第一部分為概述；第二部分描述是目前Airbus公司飛控系統(tǒng)軟件測試層面，即Airbus現(xiàn)在將飛控測試系統(tǒng)分為三個層面：Equipment Level,System Level,Aircraft Level,在每個層面上有不同的Model Check模型檢查方法。并提出一種SCADE自動嵌入式代碼生成器（A qualified code generator automatically generates most of the embedded code），飛控系統(tǒng)模型測試就是用此種算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。這種算法分為模型測試，將飛行員操作模擬在命令面板與地面仿真器上；飛行器層面模擬，若干系統(tǒng)在模擬層面運(yùn)行；代碼層面錯誤仿真，模擬錯誤操作以獲得更多信息。第三部分描述了SCADE環(huán)境，語言和觀察者準(zhǔn)則，其中SCADE即縮寫Safety Critical Application Development Environment，其中包括四個部分：a graphical editor, a simulator, a code generator that automatically translates，graphical specifications into C code, a model checker. 一個圖形化編輯器，一個仿真器，一個自動翻譯代碼生成器，一個模型檢查器。這里著重介紹了SCADE語言。SCADE語言是一種在同步假設(shè)基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)流語言，這種假設(shè)規(guī)定了系統(tǒng)在接受信號時的反應(yīng)。簡單的說是一種數(shù)列化的語言，例如F(y+z)，y=（y0，y1，y2，y3，.）,z=（z0，z1，z2，z3，.）F(y+z)同樣以數(shù)據(jù)流的形式輸出。這些計(jì)算可以定義矩陣運(yùn)算，布爾運(yùn)算和條件運(yùn)算，其中某些運(yùn)算結(jié)果可以反饋控制輸入流的長度與限制范圍。其中SCADE在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用以airbrake減速板邏輯作為例子。在這之前介紹了SCADE語言中一個觀察器或稱準(zhǔn)則器的東西，在數(shù)據(jù)流進(jìn)入設(shè)計(jì)盒后，通過從輸出端的數(shù)據(jù)與Hypotheses準(zhǔn)則假設(shè)進(jìn)行同步比較，并有一定的容錯與比較冗余度，系統(tǒng)還通過一個幫大的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢錯。減速板邏輯有駕駛艙減速板手柄的off與on操作和減速板液壓作動筒的伸出與收回，為了設(shè)計(jì)這一邏輯，文章假設(shè)開關(guān)減速板是獨(dú)立存在的。但這樣僅限于此時操作，與過去時刻的減速板位置產(chǎn)生沖突，很有可能在操作時沒有正確的使駕駛艙操作與操作面操作一致，作者采用了數(shù)據(jù)流模擬黑盒結(jié)構(gòu)，將設(shè)計(jì)過程改為下圖，使更為全面文章后面又介紹了兩種對于飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中一個是最新的A380飛機(jī)的擾流板邏輯設(shè)計(jì)，經(jīng)過SCADE模擬，A380擾流板模式改變，從之前飛機(jī)的伸出度數(shù)不同到不同空速與預(yù)訂空速下伸出度數(shù)與伸出擾流板數(shù)量都改變，有效減少燃油消耗，使飛機(jī)減速更為平滑。2、Do Hieu Trinh, Benot Marx, Philippe Goupil and Jose RagotDesign of a soft sensor for the oscillatory failure detection in the flight control system 本文探討了飛機(jī)操縱系統(tǒng)的振動問題，尤其是機(jī)翼的振動問題，并用一系列仿真軟件結(jié)合數(shù)學(xué)工具進(jìn)行老化性測試與發(fā)動機(jī)震動共振等問題進(jìn)行研究，著重測試了機(jī)身結(jié)構(gòu)與共振與飛行前預(yù)知振動診斷等問題。文章正文介紹了一種預(yù)測振動的failure-free模型，模型以下面的公式建模將各處的傳感器數(shù)據(jù)收集計(jì)算振動量，并進(jìn)行振動量的最優(yōu)化設(shè)計(jì)最終結(jié)論為0.510Hz的振動可以用此法檢測出來，無論是固態(tài)故障抑或是液壓故障對于操作面的振動影響都很大，而這兩種振動在0.16度的震動幅度以上都可以被振動模型表現(xiàn)出來而在集體上進(jìn)行修正。3、 Christophe Bauer and Kristen LagadecFlight Control System Architecture Optimization for Fly-By-Wire AirlinersUniversity of Toulouse IEEE2007這篇文章主要介紹了飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是為了飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的早起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；诎踩珡?qiáng)制性與重量標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)允許在電傳操作系統(tǒng)有應(yīng)用原始設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，利用從分支到主題的結(jié)構(gòu)方法解決了分布式最優(yōu)化問題，最后，論文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于Airbus A340飛機(jī)橫滾控制的系統(tǒng)已投入應(yīng)用。關(guān)于橫滾系統(tǒng)的研究主要從兩方面進(jìn)行，現(xiàn)代大型飛機(jī)上，橫滾系統(tǒng)通常由四部分構(gòu)成，一為作用面即副翼和擾流板，二為作用面作動筒，三為FCC即飛行控制計(jì)算機(jī)以及控制飛控部分的其他SEC，SFCC，ELAC等計(jì)算機(jī)，四為連接各作用面和計(jì)算機(jī)的電氣回路。在空中，副翼和擾流板的作動筒要克服巨大的空氣阻力進(jìn)行作動運(yùn)動，一般系統(tǒng)由液壓與電動構(gòu)成動力，設(shè)計(jì)這部分的難度在于如此多的副翼和擾流板如何在橫滾時準(zhǔn)確伸出到指定的位置，如何配置各作動筒作動面使其符合FAA規(guī)定的安全范圍以及盡可能減小飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量。文章研究得出了飛行橫滾率的一系列計(jì)算公式，并通過此公式配置各個參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)化的目的。其中p代表橫滾率，V代表真實(shí)空速，Clp代表機(jī)翼橫滾阻尼系數(shù)，L代表機(jī)翼長度，代表操縱面橫滾有效性系數(shù)，limax代表最大操縱面偏角。在安全性設(shè)計(jì)方面，文章從一些列數(shù)據(jù)分析后得出一些技術(shù)強(qiáng)制性手段，包括（1） 每個作動筒都必須連接合適的動力源，例如伺服控制連接液壓回路，電液作動筒必須連接電力回路。（2） 每個作動筒至少連接一個控制電腦或者之多連接兩個控制電腦（雙通道）（3） 有一些必須遵守的路線準(zhǔn)則，例如電信號和控制信號必須由一個回路而來。（4） 擾流板作動筒依存單獨(dú)的計(jì)算機(jī)（5） 每個副翼應(yīng)該至少由兩個作動筒控制，以防一個作動筒故障導(dǎo)致副翼擺動故障。（6） 同一個副翼上的作動筒應(yīng)該有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如不同的電腦控制或者不同的動力源。（7） 同一個副翼上的作動筒應(yīng)該連接相同數(shù)量的控制計(jì)算機(jī)。文章后半部分主要研究了各個擾流板上配備不同的液壓系統(tǒng)，以保證在某一個液壓系統(tǒng)失效時保證飛機(jī)最小的安全隱患，通過復(fù)雜的計(jì)算以及論證得出以下A340飛機(jī)的液壓系統(tǒng)分布圖：4、 Manel Sghairi, Jean-Jacques Aubert, Patrice BrotDISTRIBUTED AND RECONFIG URABLE ARCHITECTURE FOR FLIGHT CONTROL SYSTEMFlight Control System Department AIRBUS France 此文章研究了在Airbus飛機(jī)上廣泛采用的各類飛控保護(hù)機(jī)構(gòu)，Airbus飛控系統(tǒng)一般采用三層保護(hù)機(jī)制，既全保護(hù)，備用保護(hù)，直接保護(hù)和最后的機(jī)械無保護(hù)。其中全保