适用于民机自动飞行的航迹角模式控制律设计

魏子博

【摘 要】航迹角（Flight Path Angle，FPA）模式通常作为自动飞行控制系统的纵向基本模式，其他纵向模式都转化FPA指令再由FPA模式完成，所以设计良好性能的FPA控制律是设计自动飞行控制律的关键步骤。本文以大型民机模型为对象，针对FPA模式进行了控制律设计，仿真效果显示控制律性能良好。

【关键词】飞行航迹角模式；自动飞行控制系统；控制律设计

0 背景

FPA模式是垂直方向基本模式，目标为平滑地捕获和保持飞行员在飞行模式控制面板（FMCP）上通过旋钮选择的FPA 基准值，同时该基准值将在FMCP 的FPA 窗口显示。FPA 模式的控制基准值为该模式接通时的飞行航迹角，或飞行员通过FMCP 选择的FPA 基准值。

垂直方式的其他模式也是通过将各种纵向控制目标也都是通过控制飞机的航迹角来间接完成的，所以这些控制目标也最终会转换成FPA指令来让主飞控系统执行。本文对FPA模式的控制律进行了设计和分析。

1 控制器设计

自动飞行的纵向模式的指令都是转化成FPA指令执行的，通过控制器的计算出需要跟踪的纵向过载指令，并输入主飞控系统，让其完成对于纵向过载指令的跟踪。所以本课题设计的控制器是以期望指令为输入，以期望的纵向过载指令为输出的，反馈量为实际测量到的FPA值。其控制器框图如图1所示。图中增益K是为了方便调节参数而对控制器参数进行的整体放大，本报告中取K为0.006。

将包含有主飞控的飞机模型作为控制对象，该控制对象为一复杂的非线性模型，并视其为黑盒。本课题的控制器采用了积分分离式PID控制律，其控制律可由如下公式表达：

其中P，I，D为PID系数，这里的积分项采用分离式积分，分离的界限为c，为正实数，当误差在该界限外时切掉积分项，仅在误差进入界限内时才开始积分。这样做一方面可以保证尽量减小稳态误差，又可以减少因加入一直加入积分而造成的稳定性下降以及过渡过程中超调大大的问题。这里，c的选取是自适应的，设FPA在阶跃相应前的值为FPA0，则：

其中c？缀0，1，c，c为一正实数。本课题中取kc=0.05。

另外，由于安全性和旅客乘机舒适性的要求，各模式产生的FPA期望值不能过大，所以该控制器对所输入的FPA期望值利用饱和环节进行了限幅。本课题中限幅的幅值为±10。

2 控制器参数调节

控制器中主要调节的参数为P， D，这两个参数决定了过渡过程的主要性能，由于采用了分离式积分器的设计，使得積分的作用仅限于进一步地调节稳态误差，一半而言I选择在0.01D至0.25D之间即可，对于过渡过程的主要性能影响不大。下面给出P， D的随着高度和速度变化的调节结果。

图2 控制器参数的调节结果

3 仿真结果

将调节过的参数形成参数表，若飞机工作在参数表内的相应包线区域则直接选用相应的参数，若所工作的区域不在已调节过的点周围，那么则采用线性插值的方法通过周围的点获得该点的控制器参数，这种做法得到的包线内的参数调节结果即如图2所示。利用得到的参数得到飞机的时域响应结果。其中，部分结果图所示。

4 仿真分析与总结

PID参数变化的整体趋势如下：P随速度的增加而增大，而随高度的增加而减小；D的变化趋势与P大体相同，只是变化幅度相对P小一些；I的选取对控制器的控制性能影响不大，但对于一些特定的平衡点，稳态误差较为明显，需要用合适增益的积分环节进行消除，但只要积分选择的不过大就不会影响整体性能。

从时域相应图中可以看出通过控制器的调节，FPA的相应很好的满足了所提出的性能指标：超调量均在10%以内，性能较好的点可以达到5%以内；震荡过程或稳态误差最终都小于0.1°。

【参考文献】

[1]徐军， 欧阳绍修.运输类飞机自动飞行控制系统[M].北京：国防工业出版社， 2013.

[2]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2001.

[3]吴森堂，费玉华.飞行控制系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[责任编辑：田吉捷]endprint