综合电子控制技术对提高直升机飞行性能的影响

综合电子控制技术对提高直升机飞行性能的影响

姚聪

海装沈阳局驻哈尔滨地区第一军事代表室 黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：直升机是一个非常复杂的系统，但是在我国的运用领域十分广泛，比如在运输物资、军事作战、抢险救灾以及农业生产等方面具备其它飞行器不能比拟的优势，直升机综合电子控制技术能有机地综合飞行电子控制、发动机电子控制、导航电子控制等系统的功能，协调好其间的功能耦合作用，实现一体化控制和管理，充分发挥综合效能，很大程度提高直升机飞行性能，有效减轻飞行员工作负担。

关键词：直升机；飞行；控制技术

随着电子技术、计算机技术、图像处理技术和人工智能理论的发展，应用于各个领域的定位理论和技术有了长足的进步。定位技术在工业、军事、民用和科学探索等领域都有着广泛的应用空间。现代直升机对飞行性能的要求越来越高，先进的直升机不断增添安装各种先进的技术电子设备来提升直升机的飞行性能，比如先进的数字式飞行电子控制系统、发动机电子控制系统、导航控制系统等，直升机综合电子控制技术正是在这种背景下应运而生，该技术的思想是在设计直升机各系统的初期，就充分考虑各个电子子系统间的交联耦合关系，然后利用有利的耦合条件实施综合电子控制手段，使飞行电子控制系统与发动机电子控制、导航电子控制等系统实现综合电子控制，使各系统潜力充分挖掘，提升直升机的飞行性能。

一、直升机飞行控制技术发展趋向

在二十世纪五六十年代，就有学者提出，采用自适应控制直升机模型多边形的稳定性理论。从理论上来讲，直升机的状态识别系统，以及任务剪裁系统，是由直升机对速度，方向以及高度的机动性越来越高的要求来决定的，还能够使直升机根据飞行控制响应类型，进行自动模态转换，以及对参数进行自动优化、自动选择飞行控制律。但是，直升机飞行技术控制面临着工作环境，工作参数以及建模的困难。最近几年，自适应控制在直升机的飞行控制中，因为得到先进的计算机技术以及控制技术，还有稳定性理论的帮助，在飞行控制设计中取得较好的成绩。简单的说，自适应控制，即是能够绕过建模过程，能够根据输入输出数据设计控制器的自适应控制器的设计方法，能将控制的设计，直接转换为参数辨识优化问题的方法。所以，在直升机的飞行控制设计中，很有必要引入自适应控制器设计方法。

二、综合控制技术对飞行性能的影响

1、对直升机飞行性能的影响。直升机的飞行性能包括直升机的机动能力、续航能力、稳定性、操纵能力等。这些指标能力的优劣是由直升机所装发动机的可用功率与飞行的需用功率沟通决定，故飞行电子控制系统和发动机电子控制系统交联实现综合控制，能有效提升直升机的飞行性能。

2、直升机飞行性能的指标定义

机动能力：机动性是直升机的重要战术、技术指标，是通过直升机能量状态的变化在一定时间内改变飞行速度、飞行高度和飞行方向的能力。评价直升机机动能力的指标主要有：速度、加速度、角速度、最大角速度、升限、静升限、动升限、理论升限、实用升限。

续航能力：指直升机在不进行空中加油的情况下，耗尽其本身携带的可用燃料时，所能持续飞行的能力。持久的续航能力是直升机完成各种飞行动作和调整飞行状态的根本保证，是武装直升机完成作战任务的根本前提。续航能力通常用航程和航时来表示。

操纵能力：对直升机施加力和力矩以保持直升机在阵风的空气中仍处于定常飞行状态，或者完成所希望的机动的能力。直升机的操纵能力与直升机的座舱布局、操纵性能及显示装置等因素有关。取值原则为越有利于发挥飞行员的主动性，取值越高。假设直升机的操纵效能系数为b1：它取值如下：一般仪表及液压助力操纵取0.7，有平显取0.8，电传操纵，有平显、下显，数据总线取0.90。

3、综合电子控制对飞行性能的影响。飞行/发动机综合控制，在飞行控制系统保证直升机安全稳定飞行的同时，发动机控制系统满足高机动性对发动机功率快速响应的需求以及发动机转速对负载大扰动的抑制能力，使直升机的加速度、角速度以及负载能力得到提高，通过充分挖掘发动机的性能潜力，提高发动机的最大功率，能提高直升机的巡航速度、最大爬升速率、最大飞行速度。直升机本身具有不稳定性和高度耦合的特点，在飞行全过程中均需要控制，飞行/发动机综合电子控制保证直升机在各种恶劣的气象条件下按指定的要求完成如空中格斗和机动飞行等飞行任务，使直升机操纵品质得以改善，提高直升机的操纵能力。

三、直升机飞行控制技术

对直升机各方面技术的研发越来越受到世界各国的重视，其中在先进直升机飞行控制技术方面的研究更是极为关注，这关系到直升机飞行安全系数。

1、虚拟参考反馈控制技术。在直升机飞行控制中，将虚拟参考反馈校正控制方法引用于直升机的飞行控制器设计，为避免建模过程，对其数据进行观测，并运用系统辨识法对控制器参数进行解答，再以目标函数的形式将设计飞行器进行转化，即为直升机飞行控制的虚拟参考反馈校正控制技术。如下：

（1）在直升机的飞行过程中，如果遇到飞行阵风，或需要根据指令操作时，为了避免失速或者倾翻，就要用过控制稳定系统改变主旋翼拉力、桨叶升力保障飞机平稳的飞行状态，这即是直升机姿态控制模型。

（2）对飞行控制器的设计，要便于在线工程实践和程序编写，可以采用分数阶的离散化形式作为基函数，对相关求滤波器滤波以及便是运算法进行优化。

（3）虚拟参考反馈控制技术，就是要求转化为各自对应的时变参数来定义控制器的确定，所以，其对应的时变参数的估计的准确性是衡量控制器的优劣的，这就需要采用仿真验证直升机在遭遇阵风，或者随动模式的情况下虚拟参考反馈控制器效果，一般都是采用MATLAB 仿真验证法。

2、自校正控制技术

自校正控制是自适应控制的一个重要的分支技术，是集成最优控制，极点配置以及系统辨识的自适应控制方法，由控制对象，控制器，以及参数估计这三大部分组成，其实用于换面变化的系统以及已知的系统结构。从设计角度来讲，自校正控制技术的实施步骤如下：

（1）分析直升机稳定性，建立纵向俯仰姿态方程。直升机多个输入和输出系统组成的悬停，是直升机与固定翼飞机最主要的区别。要对直升机悬停的气动导数以及操纵导数进行求解，并获得状态方程，一般是根据直升机的气动导数采用状态方程扰动线性化方法。为了增加直升机系统稳定性，可以用 MATLAB 辅助设计反馈微分器，来改进机理稳定性。

（2）对直升机系统进行最小极点配置自校正估计器，首先就是要根据对象模型设计自校正控制器，再通过自校正辨识器，辨识直升机的小扰动线性模型参数，这个过程一般都是采用的最小二乘参数辨识法。为了使直升机的非逆稳系统能够采用自校正控制，要设计自校正参数估计器来解决在有色噪声下参数估计偏离的问题，这就需要采用能够在线辨识、以及存储空间较小的增广最小二乘估计算法进行设计，在设计之前为了保障辨识结构，要采用具有白噪声性质的，伪随机序列保障辨识输入信号的稳定性，用稳定噪声来作为一个干扰源。

（3）对自校正控制进行仿真验证，可以采用正弦波以及阶跃作为参考输入信号，模拟直升机随动、阵风高斯白噪声干扰两种飞行模式。如果随动模式和阵风环境都得到了抑制，回归稳定系统，就证明自校正控制技术对飞行控制有效。

综合电子控制技术能有效提升直升机的飞行性能，在当下国内外大力发展航空工业，更是有着广阔的发展和应用前景。而且，随着人工智能、模式识别、现代控制等先进电子技术与理论的不断进步，综合控制技术未来将会不断向综合化、一体化、智能化的方向发展，将会不断涌现新的综合电子控制技术。

参考文献：

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[2] 李博 , 王孝通 , 徐晓刚. 基于计算机视觉的舰载直升机助降技术研究 [J]. 兵工学报 ,2017,28(3):30.

[3] 曾丽兰, 王道波, 郭才根. 无人驾驶直升机飞行控制技术综述 [J]. 控制与决策 ,2016,21(4):36.