飞机主动杆结构设计及控制策略研究.doc

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1绪论

1.1研究背景与意义

本课题来源于航空工业某研究所下一代战斗机主动侧杆的预研项目。

随着科技的发展，飞机上传统的机械操纵系统已经发展为目前的电传操纵（Fly-By-

Wire，FBW）系统。FBW系统对提高操纵系统的可靠性、稳定性、安全性以及驾驶员的

操纵舒适性等方面有积极的帮助[1]，而且随着FBW系统的应用不断成熟，飞机的驾驶

装置已由传统的中央驾驶杆/盘逐渐向电传侧杆操纵装置发展。主动驾驶杆在改善歼击

机的飞行品质、提高任务效能、战场生存性以及驾驶员的操纵体验方面有着重要作用，

同时主动驾驶杆是一种高度机电一体化的高端产品，鉴于此，对电传歼击机主动驾驶杆

的研制，有利于提高我国先进战机的总体技术水平。

由于力伺服系统及其控制理论的研究不断深入，计算机控制技术的迅速发展，为高

质量、高性能侧杆的研究提供了坚实深厚的基础以及宽广的发展空间。国外对飞机侧杆

的研究相比国内要领先很多，尤其是主动侧杆技术，许多机型已经对主动侧杆进行了相

关的试验，但是由于技术封锁等原因，很多核心技术未公开，包括主动侧杆装置（Active

Side-stickDevice，ASD）的结构与相应的控制算法等。国内目前对被动侧杆技术的研究

已经取得了突出成绩，某型号战斗机和C919商用飞机均使用了先进的被动侧杆技术，

但是对主动侧杆技术的研究国内目前仍处于理论探索阶段，还没有在飞机上试验的先例。

本课题基于研究所的设计要求，以功能需求为出发点，对ASD的机械结构进行了

设计，同时对关键的零部件结构进行了分析优化，最后对ASD的核心功能之一的力加

载系统控制策略进行了设计与分析。本课题通过对ASD的结构进行设计与优化以及对

控制策略进行设计，为我国飞机ASD的结构设计及其控制策略提供了一定的理论依据

以及必要的参考。

1.2飞机驾驶杆发展

1.2.1飞机操纵系统的发展

飞机操纵系统是飞机上用来传递驾驶员操纵指令、控制飞机航向以及俯仰和横滚动

作的重要系统，是飞机关键系统之一。飞机操纵系统工作性能的好坏会直接影响到飞机

的飞行质量，很大的程度上决定了飞机飞行的安全性与可靠性[2]。想要保证飞机在空中

飞行的稳定性，除了依靠固定的结构外型，还必须拥有良好的操纵性。随着科学技术的

迅猛发展，高精尖技术在飞机上的应用使操纵系统发生了一系列的变化，飞机操纵系统

先后经历了机械操纵系统、助力操纵系统、全助力操纵系统、增稳操纵系统、控制增稳

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飞机主动杆结构设计及控制策略研究

操纵系统以及FBW系统[3]。

早期飞机的质量不大、速度不高、飞行高度较低，飞机的操纵系统采用的是机械操

纵系统，这种操纵系统的驾驶装置与飞机的舵面通过由拉杆和钢索组成的机械连接方式

直接相连，所以驾驶员操纵驾驶装置时即可直接拖动飞机舵面运动。随着飞机的重量、

速度以及几何尺寸的不断提升，飞机舵面的重量也在不断增加，使得驾驶员无法直接拉

动舵面，所以出现了相应的助力操纵系统和全助力操纵系统，此时飞机飞行时从舵面反

馈到驾驶杆上的力大部分或者全部由系统中的助力系统承担。至此以后，飞机操纵系统

的设计逐渐断开了驾驶装置与舵面的直接联系，为了使驾驶员在操纵驾驶装置时仍有相

应的操纵力感觉，从此引入了人感系统，用来模拟飞机的操纵杆力特性[4]。人感系统使

得驾驶员在操纵与舵面断开直接联系的驾驶杆时仍然有需要克服铰链力矩才能移动驾

驶杆的感觉，从而保证了驾驶员的操纵感觉，同时避免了因为驾驶员操纵位移过大而导

致控制回路出现不稳定现象[5]，并且飞控计算机依据人感系统的输出信号来输出飞机舵

面相应的操纵信号。

随着飞机飞行高度的提升，飞机在纵向上的阻尼不断减小，这导致飞机短周期的运

动收敛时间变长，而且俯仰角和迎角的振荡次数增加[3]，从而不利于驾驶员的操纵，降

低了飞行品质，所以基于全助力操纵系统的设计，又逐渐开始使用增稳操纵系统以及控

制增稳操纵系统，这两种系统使得飞机的稳定性、操纵性和反应灵敏度得到明显的提升。

图1.1电传操纵系统原理图

Fig.1.1PrinciplediagramofFBWsystem

在助力操纵系统和全助力操纵系统阶段，驾驶杆与飞机舵面间的连接仍然只有机械

通道，只是比机械操纵系统多了助力器，而增稳操纵系统和控制增稳操纵系统阶段，驾

驶杆与舵面间的连接除了机械通道，还多了电气通道。由于机械通道中的机械传动结构

安装复杂，杆力调整困难，并且其特性表现不稳定，所以若将系统中的机械通道全部变

为电气通道，实现将驾驶杆的操纵运动转换成电信号，电信号再去驱动与舵面相连的执

行器，