飞机自动控制系统中的标准系数法应用探讨

张寅

摘 要 基于标准系数法应用研究结构，对飞机纵向通道俯仰角稳定系数与航向通道稳定系统进行标准系数法应用研究，设计PID控制器，给出系统过渡时间，计算多回路控制参数，可计算多个典型航道控制器参数，应用标准系数法对飞机姿态角稳定系统设计有效。

关键词 飞机姿态角;控制系统;标准系数法

人类动力飞行证明，飞机飞行需要控制系统支持，随着飞机重量增大，飞机控制系统回路是复杂的高阶系统，人们习惯采用对数频域法设计控制系统，但针对系统特定参数较多，标准系数法是法国科学家提出基于代数计算法的控制系统设计方法，撇开参数的关联性，简化了多回路控制系统的设计，采用标准系数法可解决飞机操纵设计师的问题，使得飞机控制系统设计简单化。基于标准系数法对其应用进行研究，对某型飞机姿态角稳定系统进行设计，证明标准系数法对自动控制系统设计有效性。

1标准系数法应用研究

标准系数法是基于给定标准模型，使得系统闭环传递函数分子同系统系数相一致的标准化设计方法。假设系统闭环传递函数为φ（s）=bmsn-m+…bn-1s+an/sn+a1sn+1…an-1S+an，根据标准系数法设计思路，从n阶系统列写出n个方程，使得系统标准化闭环传递函数分子系数逼近标准系数。

要满足Am→Am，…An-1→An-1，如系统待设计参数数目系统阶次相同为n，使得系统闭环传递函数分母系数同模型分母系数相等，可简单求出待求参数。只需使得系统标准化闭环传递函数分子系数趋近于标准系统系数即可[1]。如方程数大于待定参数个数，使得系统闭环传递函数分母系数同标准模型分布系数相等，任选n-1个线性无关方程，求出n-1个待设计参数。通过变换ω0使得解出n-1个参数满足第0个方程，使得系统闭环传递函数分子系数逼近标准系数。如应用标准模型找不到合适的ω0，使得系统极点同模型一致，允许使得标准系数A1，An-1变动。

2某型飞机姿态角自动控制系统标准系数法设计

飞机角运动控制系统借助驾驶仪实现，通过方程操控机构控制回路预定信号调整俯仰角，经研究飞机姿态角运动稳定系统通过PID控制器实现，需确定控制器Kp，K1，采用传统根轨迹法计算量很大，闭环系统性能需在线验证，对飞机姿态角稳定系统控制器设计。

2.1 飞机俯仰角稳定系统标准系数法设计

考虑某飞机俯仰角稳定系统，略去测量仪动态用Kδ表示舵机传递系数。采用近似飞机短周期扰动方程，研究θ0=0为线性化内定状态，有飞机传递函数表达式为Gθδ=A1（s+A2）/（s2+B1s+Bs）s，采用PID控制器，得出系统闭环传递函数，将表达式表示为φ（S）=（A2ω2S2+A3ω3S+ω4）/S2+A3ω3S+A3ω3S+ω4，A 3 ω30 =5.3K ∫ K δ +5.512Kz K δ ;ω40 =5.512K ∫ K δ;A′1 ω=5.3Kω zz K δ +2 .65;A 2 ω20 =5 .3K δ +5.512K ωzz K δ +7 .773 ;A′ 2 ω20 =5.3Kz K δ

查出相应标准系数A1=7.9，A2=15，A3=7.9，希望A1/A1=1，当前只能满足A1/A1=1下，使得A2接近A2.计算不同ω下特定待求参数Kθz，Kωz，在标准系数A1=7.9，A2=15，A3=7.9，使得A1/A1≈1ω0不存在，需对标准模型系数调整。使得标准型系数范围为A1=7.9±0.05，0.1≤ω0≤100，求出标准系数为A1=7.93，A2=15.01，A3=7.91，使得A2/A2→1。Ω0=5.7，Kθz=42.859，Kωz=4.1663，使得A2/A2=0.8973。经计算可设计某飞机纵向通道俯仰角稳定系统控制器参数设计软件包，标准系数允许波动范围，求出参数Kθz，kωz，使得标准系数近似度A1/A1≈1。

2.2 倾斜角系统标准系数法设计

研究飞机倾角稳定系统，将螺旋运动分量视为积分过程，副翼偏角由舵机保证误差信号调整。Ωx=γ，简化条件允许分析角度φ值不大侧向运动。飞机倾角控制系统闭环传递函数为φ（S）=（A2ω20S+ω30）/S3+A1ω0S2+A2ω2S+ω30，A 2 ω20 =15Kγx ， ω30 =15K ∫ A 1 ω 0 =（ 77 +375Kω xx ）/25， 相應标准系数为A1=5.1，A2=6.35，根据要求选择不同的ω 0，计算舵机理想时Kγx=18.440.4，KωxX=2.0387，闭环系统超调量为9.4171%，稳态误差为0。根据计算设计某型飞机倾角闭环控制系统软件包括，输入系统参数Kδ，求出参数Kγx，Kωx，完成设计。

2.3 通道内航向稳定系统设计

航向控制自动化通过偏航通道在倾角稳定系统使γ=0下形成侧向过载，通过横向通道使飞机倾斜，倾斜运动可单独分离。大量飞行任务中第二种操作方法可取，对通过横向通道飞机倾斜控制航向系统标准系数分析，某型飞机横向通道航向控制系统传递函数为Gγδ（S）=20/S2+3.69S，表达式为φ（S） =（A′2 ω20 S +ω30）/S3+A 1ω0S2+A2ω20 S +ω30，查出相应标准系数A1=5.1，A2=6.35，希望A1=A1，当下只能使A1/A1接近于A1，选择不同ω0可计算相应参数。固定系统随ω0增大控制增益Kφx增大，反映标准系数接近度的系数A1/A1趋近于1[2]。根据计算设计某型飞机偏航角稳定系统软件包，输入系统参数Kδ求出参数Kφx，Kωx，顾及系统过渡时间近似度A1/A1。A1/A1≥0.9完成设计任务。多回路飞机自动控制系统用标准设计法方便，可确切给出系统过渡时间，可根据不同航道参数计算多回路控制器参数，根据航道参数调度离线计算结果，是实用增益调度控制系统设计方法。

3结束语

对标准系数法应用研究，对某型飞机纵向通道俯仰角稳定系统及偏航通道稳定系统控制器进行标准系数法设计，使用标准系数法对姿态角稳定系统分析可行，为对飞机控制系统控制器设计提供了思路。

参考文献

[1] 王伟平.蒸汽流量密度自动计算在自动控制系统中的应用[J].机电工程技术，2011，40（5）：61-64，124.

[2] 胡剑波，辛海良.飞机姿态角稳定系统的标准系数法研究[J].系统工程与电子技术，2008（1）：152-155.