Airbus飞控系统的自动控制文献综述

关于Airbus飞机飞控系统的自动控制文献综述

前言

现代民用航空飞机飞行操纵系统是飞机上的主要性关键性系统，他的工作性能好坏直接影响着飞机飞行的性能，也影响着飞机的安全性和乘坐品质。而从飞机出现到今日，随着科技的日益进步和技术的成熟，飞控系统的许多方面都进行着技术的进步与改善。其中控制系统，最优控制以及各类反馈控制与保护控制等尤其大量应用在新出现的大型飞机上。很多的文献也致力于这类技术，本文既为一简要综述，概括若干飞控系统上的新技术新应用，以Airbus空中客车公司的研究为示范。

操纵系统定义与分类

飞机飞行操纵系统是飞机上所有用来传递操纵指令，驱动舵面运动的所有部件和装置的总合，用于控制飞机的飞行姿态、气动外形、乘坐品质。驾驶员通过操纵飞机的各舵面和调整片实现飞机绕纵轴、横轴和立轴旋转，以完成对飞机的飞行姿态和飞行轨迹的控制。

根据定义，飞行操纵系统可分为三个环节，即：中央操纵机构，用于产生操纵指令，包括手操纵机构和脚操纵机构；传动机构，用于传递操纵指令；驱动机构，用于驱动舵面运动。

图1、飞控系统示意

表1、飞控系统主要组成

自动控制系统在飞控系统的应用

自动控制系统包括经典控制论和现代控制论，几个点控制论在玛克斯韦尔的微分方程稳定性与奈奎斯特负反馈放大器与伊文思根轨迹法上提出。后由于越来越多场合要求高精度的处理多变量和非线性控制问题，20世纪60年代形成了现代控制理论。其中庞特里亚金的极大值原理，贝克曼的动态规划法以及卡尔曼提出的最优滤波理论是现代控制的基础。

在飞机飞控系统中自动控制运用广泛，其中以Airbus空中客车公司的电传操纵飞机运用最为明显，电传操纵中，所有飞行员对操纵面的指令首先通过各类装置收集进入飞行控制计算机FCC，飞控计算机会根据指令的不同来优化指令控制飞机各部分计算机，飞机操纵面移动后又会将数据返回各分支计算机与总计算机，以进行反馈控制。最终以图像和文字方式提醒驾驶员监控。这使飞行操纵产生了质的变化，使安全性进一步上升。

近年来飞控系统控制研究采撷

1、Thomas Bochot，Pierre Virelizier，Hélène Waeselynck and Virginie Wiels 《Model Checking Flight Control Systems: the Airbus Experience》

Airbus France，University of Toulouse. 2009 IEEE&EI 本文分为六个部分，第一部分为概述；第二部分描述是目前Airbus公司飞控系统软件测试层面，即Airbus现在将飞控测试系统分为三个层面：Equipment

Level,System Level,Aircraft Level,在每个层面上有不同的Model Check模型检查方法。并提出一种SCADE自动嵌入式代码生成器（A qualified code generator automatically generates most of the embedded code），飞控系统模型测试就是用此种算法设计实现的。这种算法分为模型测试，将飞行员操作模拟在命令面板与地面仿真器上；飞行器层面模拟，若干系统在模拟层面运行；代码层面错误仿真，模拟错误操作以获得更多信息。

第三部分描述了SCADE环境，语言和观察者准则，其中SCADE即缩写Safety Critical Application Development Environment，其中包括四个部分：a graphical editor,

a simulator, a code generator that automatically translates，graphical specifications into C code, a model checker. 一个图形化编辑器，一个仿真器，一个自动翻译代码生成器，一个模型检查器。这里着重介绍了SCADE语言。SCADE 语言是一种在同步假设基础上的数据流语言，这种假设规定了系统在接受信号时的

反应。简单的说是一种数列化的语言，例如F(y+z)，y=（y

0，y

1，

y

2，

y

3，

...）,z=（z

0，

z 1，z

2，

z

3，

...）F(y+z)同样以数据流的形式输出。这些计算可以定义矩阵运算，布尔

运算和条件运算，其中某些运算结果可以反馈控制输入流的长度与限制范围。其中SCADE在飞控系统设计中的应用以airbrake减速板逻辑作为例子。在这之前介绍了SCADE语言中一个观察器或称准则器的东西，在数据流进入设计盒后，通过从输出端的数据与Hypotheses准则假设进行同步比较，并有一定的容错与比较冗余度，系统还通过一个帮大的数据库进行检错。

减速板逻辑有驾驶舱减速板手柄的off与on操作和减速板液压作动筒的伸出与收回，为了设计这一逻辑，文章假设开关减速板是独立存在的。但这样仅限于此时操作，与过去时刻的减速板位置产生冲突，很有可能在操作时没有正确的使驾驶舱操作与操作面操作一致，作者采用了数据流模拟黑盒结构，将设计过程改为下图，使更为全面

文章后面又介绍了两种对于飞控系统的设计，其中一个是最新的A380飞机的扰流板逻辑设计，经过SCADE模拟，A380扰流板模式改变，从之前飞机的伸出度数不同到不同空速与预订空速下伸出度数与伸出扰流板数量都改变，有效减少燃油消耗，使飞机减速更为平滑。

2、Do Hieu Trinh, Benoˆıt Marx, Philippe Goupil and Jos´e Ragot

《Design of a soft sensor for the oscillatory failure detection in the flight control system 》

本文探讨了飞机操纵系统的振动问题，尤其是机翼的振动问题，并用一系列仿真软件结合数学工具进行老化性测试与发动机震动共振等问题进行研究，着重测试了机身结构与共振与飞行前预知振动诊断等问题。

文章正文介绍了一种预测振动的failure-free 模型，模型以下面的公式建模 {

)()()())(()()()(2000t V t K P S t F t V sign t P S t V t x M a ref a i b b +∆+∆==

))()(()(0τ--=t x t u K t V

)

),(()()),

(,),()),(()())

(()()),(()(4321τt x f t x t x V t x t M f t F t x f t K t x f t P d av d a a d a d ====∆

将各处的传感器数据收集计算振动量，并进行振动量的最优化设计

最终结论为0.5~10Hz 的振动可以用此法检测出来，无论是固态故障抑或是液压故障对于操作面的振动影响都很大，而这两种振动在0.16度的震动幅度以上都可以被振动模型表现出来而在集体上进行修正。

3、Christophe Bauer and Kristen Lagadec

《Flight Control System Architecture Optimization for Fly-By-Wire Airliners 》

University of Toulouse IEEE2007

这篇文章主要介绍了飞行控制系统的结构最优化设计，主要是为了飞控系统设

计工程师的早起结构设计。基于安全强制性与重量标准，这些标准允许在电传操作系统有应用原始设计准则，利用从分支到主题的结构方法解决了分布式最优化问题，最后，论文设计了一种应用于Airbus A340飞机横滚控制的系统已投入应用。

关于横滚系统的研究主要从两方面进行，现代大型飞机上，横滚系统通常由四部分构成，一为作用面即副翼和扰流板，二为作用面作动筒，三为FCC 即飞行控制计算机以及控制飞控部分的其他SEC ，SFCC ，ELAC 等计算机，四为连接各作用面和计算机的电气回路。在空中，副翼和扰流板的作动筒要克服巨大的空气阻力进行作动运动，一般系统由液压与电动构成动力，设计这部分的难度在于如此多的副翼和扰流板如何在横滚时准确伸出到指定的位置，如何配置各作动筒作动面使其符合FAA 规定的安全范围以及尽可能减小飞机的结构重量。

文章研究得出了飞行横滚率的一系列计算公式，并通过此公式配置各个参数，以达到最优化的目的。

其中p 代表横滚率，V 代

表真实空速，Clp 代表机翼横滚阻尼系数，L 代表机翼长度，i l Cl 代表操纵面横滚有

效性系数，limax 代表最大操纵面偏角。

在安全性设计方面，文章从一些列数据分析后得出一些技术强制性手段，包括（1）每个作动筒都必须连接合适的动力源，例如伺服控制连接液压回路，电液作动筒必须连接电力回路。

（2）每个作动筒至少连接一个控制电脑或者之多连接两个控制电脑（双通道）（3）有一些必须遵守的路线准则，例如电信号和控制信号必须由一个回路而来。（4）扰流板作动筒依存单独的计算机

（5）每个副翼应该至少由两个作动筒控制，以防一个作动筒故障导致副翼摆动故障。

（6）同一个副翼上的作动筒应该有不同的结构设计，例如不同的电脑控制或者不同的动力源。

（7）同一个副翼上的作动筒应该连接相同数量的控制计算机。

文章后半部分主要研究了各个扰流板上配备不同的液压系统，以保证在某一个液压系统失效时保证飞机最小的安全隐患，通过复杂的计算以及论证得出以下A340飞机的液压系统分布图：

4、Manel Sghairi, Jean-Jacques Aubert, Patrice Brot

《DISTRIBUTED AND RECONFIG URABLE ARCHITECTURE FOR FLIGHT CONTROL SYSTEM》Flight Control System Department AIRBUS France

此文章研究了在Airbus飞机上广泛采用的各类飞控保护机构，Airbus飞控系统一般采用三层保护机制，既全保护，备用保护，直接保护和最后的机械无保护。其中全保护中又包括了高速保护，迎角保护和坡度保护，各自的保护又有响应的失效和有效法则，本文通过模拟各类系统的故障来设计验证保护法则，确保飞行安全性，因文章较为复杂，总结一份研究成果表格作为法则替换要求：

总结

飞控系统作为民用飞机上最重要的系统之一，其设计与维护工作是重中之重，本文仅管中窥豹，采取空客公司近年来比较成熟的一些理念文章进行综述，其中涉

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!

及到了自动控制中的反馈控制，最优化设计以及分布式计算等功能。不足之处还请指导。

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）

授课：XXX