关于直升机飞行控制系统的研究

◎ 陈慧杰

引言：直升机具有静不稳定性（在悬停和小速度状态下）、强烈的操纵耦合、宽大的飞行范围、危险的低高度飞行等特点，因此直升机必须加装飞行控制系统来改善其特性。解决上述问题的一种方案是，采用以控制增稳系统SCAS为主，辅以自动驾驶仪系统，以改善直升机的操稳性能，减小轴间耦合，从而减轻驾驶员的工作负荷。为了验证该方案的可行性，在计算机环境下搭建虚拟系统并开展仿真验证。结合仿真实验效果，该飞行控制系统可以较好的完成自动驾驶任务，具有较强的实用价值。

一、直升机飞行控制系统的结构组成

1.传感器模型。

传感器是电气控制中不可或缺的重要元件。在直升机的飞行控制系统中，各类前端设备上需要串联相应功能的传感器，例如温度传感器、风速传感器、压力传感器等等。利用传感器采集相应的温度、压力参数，这些参数可以通过内置通信单元，同步的传输到计算机飞行控制终端，然后根据传感信号，作出同步响应，并发送飞行控制指令，实现自动驾驶。在仿真实验中，也需要设置若干种传感器模型，用于提供仿真实验所需的各种模拟信号。另外，在数据库中提供了若干个数据存储单元，为数据调用提供了便利，有助于增强飞行控制系统的快速响应能力。

2.伺服电机模型。

在飞行控制系统做出了相应的控制指令后，这些控制信号沿着线路传输到前端设备，然后由伺服电机提供动力，控制前端设备做出相应的动作。伺服电机作为整个飞行控制闭环控制系统中的重要组成，在仿真实验中也需要设置若干台伺服电机。目前在飞行控制系统中，根据助力方式的不同，伺服电机又可以分为多种形式，比较常用的有机械液压助力、真空助力两种。

3.串联舵机模型。

针对各种舵机实物建立简单的等效线性模型以及更为准确的非线性模型，并针对飞控系统采用的串、并联舵机复合操纵方式，建立完整的仿真模型。由于总距串联舵机靠俯仰、左横滚、右横滚串联舵机共同动作来实现总桨距的运动。仿真中总距串联舵机模型与其它轴串联舵机结构相同，其传动比进行相应折算。

4.大气模型。

直升机在飞行过程中，遇到大气扰动会对飞行安全产生较大的影响，为了保证直升机能够在遇到大气紊流时仍然能够保证稳定、安全的飞行，在飞行控制系统中必须要增加大气模型。考虑到大气稳流具有很强的随机性，因此在仿真实验中要想完全真实的模拟现实中的大气扰动是不现实的。为此，在仿真实验中一般将大气扰动模型分为大气紊流、离散突风和风切变模型三种。对直升机来说，可以使用按平稳随机过程理论建立的大气紊流速度一维频谱的两种形式，即Vol·Kalman形式和Dryden形式。这两种形式的紊流频谱模型都满足各向同性大气紊流的全部数学要求，且对于所有的高度都适用。

二、直升机飞行控制系统的仿真

针对飞行控制系统的功能，利用Simulink强大的分级建模能力，将体积庞大、结构复杂的飞行控制模型分解成飞控计算机、操纵杆系、伺服机构、直升机数学模型和传感器等若干子系统。传统的飞行控制仿真实验中，通常会使用到三轴转台等相关设备，这样虽然可以较好的模拟直升机真实飞行状态，但是成本较高，且操作起来难度较大。在本次仿真实验中，采用“快速原型设计”的方法，用高置信度的物理模型和低成本的计算机系统，搭建起还原真实飞行状态的仿真环境。对比来看，基于快速原型的仿真设计，不仅提供了良好的人机交互界面，方便技术人员灵活方便的调整各项控制参数，而且还能够实时反馈仿真结果。

通过利用MATLAB的RTW工具将Simulink框图自动转换为C代码，经过少量改写和加入实时控制机制，提供了一种从Simulink框图平滑过渡到VC集成开发环境的途径，省去了在VC中编写模型代码和控制代码的繁琐工作，在设计阶段充分利用Simulink提供的各种丰富的有效工具，又使得最后实现的控制系统完全不依赖于MATLAB/Simulink环境，从而大大方便了系统的二次开发和整合。

三、直升机飞行控制系统的未来研发方向

1.综合化与智能化控制。

近年来，AI技术在电气化控制领域的应用越来越广泛，这也为飞行控制系统向智能化方向发展提供了技术支撑。基于大数据分析技术和人工智能技术，让计算机具备了强大的学习和记忆能力，在自动控制功能上也得到了进一步的丰富。例如，目前直升机的飞行控制系统，只能作为一种辅助功能。随着智能化控制技术的成熟，未来将有望代替驾驶人员完成更多的操纵和控制，实现了全自动驾驶。近年来，基于HACT的飞行控制系统，在仿真实验中已经完成了自动识别飞行状态、自动调整直升机飞行参数等一系列功能，这些技术将有可能在下一代直升机的飞行控制系统中实践应用。

2.模块化与小型化部件。

对于飞行器来说，不仅是飞行控制系统，几乎所有的电子元件、电气设备都在朝着模块化、小型化、微型化方向发展。特别是对于小型、无人驾驶直升机来说，飞行控制系统中控制元件、电子设备的集成化、模块化也是一种重要研究方向。从实用功能来看，模块化设备除了体积和重量减小，减轻了直升机的飞行负载外，还具有更强的稳定性、抗干扰能力，降低了飞行控制系统发生故障的概率，这也是保证控制安全的有效手段。

结语：近年来，直升机在民用领域得到了越来越广泛的使用。同时，对于无人机的驾驶安全和飞行控制也提出了更为严格的要求。本文设计的一种基于快速原型设计理念，通过MATLAB平台进行仿真实验的飞行控制方案，根据仿真结果表明直升机飞行稳定。今后要继续在控制智能化、设备模块化领域加强研究，为直升机飞行控制系统的完善提供技术上和硬件上的支持。