简述现代飞行控制系统的发展和Cy27/30飞控系统控制特点

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1. 外回路和内回路

飞行控制，说白了就是控制飞机去飞行。

但是对于飞行控制，很多朋友经常会把AFCS（自动飞行控制系统）和PFCS/FBW（主飞行控制系统/电传飞行控制系统）的功能搞混。

以民航航线飞行为例，大家知道民航机的飞行行为分为两种，一种是从A地飞抵B地，一种是飞行过程中的颠簸，倾斜，偏航。

对于前一种飞行，我们针对地球本体坐标系（或称为大地坐标系）研究飞机的运动，可以把飞机看成“质点”，把它称为位移或者叫飞机的轨迹控制，这个属于飞机的“外回路”控制，通常由自动飞行控制系统（AFCS）或者驾驶仪（AP）实现，现代飞机还将导航计算机升级，发展成具备多功能的任务管理系统（VMS/FMS），指导或者直接替代AFCS进行飞机的4D导航控制。现在流行的“火-飞-推”，也是外回路的事。

对于后一种飞行，是针对飞机本体坐标系和气流坐标系进行研究，研究的飞行的“姿态”。这个本质是如何权衡飞机的稳定性和机动性设计，这个属于飞机的“内回路”控制，是控制增稳系统/电传控制系统需要解决的问题。

其实，飞行控制说白了就是玩牛顿力学、坐标系变换和控制理论，现在战斗机上用坐标系，最多能定义出超过10个，如何把握其中各个用途的坐标系之间的原点平移和转动也是门基础。

2. 飞行控制的基本任务和方式

飞行控制的基本任务就是稳定飞机重心在空间的轨迹运动，还有控制飞机的角运动。对重心运动的控制也是通过对角运动的控制而实现的，飞行控制系统都是三轴控制系统，基本的原理是负反馈。

学过自动控制的人都知道一句名言----“稳定压倒一切”，这句话对治国，对自动控制，都是一句真理。

通常来说，我们习惯将运动分解为纵向和横侧向两个方向，高楼里的普通电梯是纵向运动的，而平地上的汽车只能进行横侧向运动。

对于纵向飞行控制，飞行控制的基本任务是使俯仰角为零，或者接收驾驶员或AFCS的信号，控制飞机俯仰。这个过程中，飞控系统控制的是左右升降舵的同步偏转。对于没有平尾的飞机，一般靠副翼的同步偏转来实现“升降副翼”的控制作用。


由于飞机的横侧向运动是倾斜和偏航两个轴的耦合，因此控制起来比纵向稍难些。

对于侧向飞行控制，飞控的基本任务是使偏航角和横滚角为零，或者根据驾驶员或AFCS的信号，控制飞机转向。

偏航力矩使飞机在水平面内转动（和汽车转向一样），而侧向力使飞机速度矢量在水平面内改变方向。


飞机进行横侧向飞行控制，主要是控制方向舵、副翼和进行平尾差动。

当只靠蹬舵来控制航向时，飞机上垂直陀螺仪的滚转角信号叠加进副翼通道，使机翼建立和保持水平，航向陀螺信号则形成航向偏差信号，用来控制航向。同时需要经过角度微分，将角速度信号反馈给方向舵和副翼通道，增加阻尼，增加稳定。

当只靠副翼或者通过平尾差动和副翼耦合来修正航向时，方向舵可用来削弱荷兰滚，减小侧滑。

3. 飞控系统的发展---电传以前


飞机的飞行控制系统经历了机械操纵系统、半助力操纵系统、全助力操纵系统、增稳系统、增稳控制系统、半电传系统、电传系统和光传系统这8个阶段。


机械操纵系统就是驾驶员直接拉钢索控制舵面，由人感受全部舵面力矩；


半助力操纵系统是针对飞机飞行速度加大，舵面控制力矩加大，由助力机构帮助驾驶员按比例减小杆力的机械操纵系统，杆力由助力器和驾驶员共同承担；


全助力操纵系统又叫不可逆助力操作系统，由于飞机开始实现超音速飞行，作用在舵面上的气动力还有压心位置变化很大，由驾驶员去直接感受舵面力矩已经没有意义，如果出现杆力反向可能还会出现危险，因此出现了全助力操纵系统；完全不会反馈舵面力给驾驶员。驾驶杆上的力由载荷机构/调校机构模拟;


飞机飞得越高越快，在高空大M数时阻尼急剧减小，飞机的稳定性变差，很容易飘摇，会极大增加驾驶负担，因此飞行控制系统发展至增稳系统，是为了增加飞机纵向和侧向静稳定性和动稳定性。


其实，看过GJB185就知道，最简单的飞行品质，就是对飞机各项阻尼比和固有频率的要求。增稳系统本质上属于“阻尼器”，只引入了角速度反馈，改变不了飞机的固有频率。因此增稳系统改善飞行品质的力度有限。


增稳系统只能改变飞机传递函数的分母，或者说，只能改善飞机的稳定性而已，但是飞机传递函数系数减小，飞机的机动性也下降了。因此在增稳系统基础上引入前馈通道，可以增加控制功能，这就形成了增稳控制系统，能较好的中和“稳定性”和“机动性”的矛盾。

4. 电传飞行控制系统
增稳控制系统其实距离准电传系统已经很近了，只需要加一个离合器，让使用增稳控制系统时，机械系统不参与即可。

早期的增稳控制系统可靠性比较差，远远不如机械操纵系统安全（我仿佛记得谁曾经说过，如果能做纯机械的计算机，绝对不要电子的），因此准电传系统，其实就是有机械备份的电传系统。

所谓的电传，或者叫线传（fly by wire），就是把驾驶员或者AFCS的控制信号经过解算，再通过电线传导电信号的方式传递给舵机。为了完全替代机械操纵系统，电传系统必须具有一定的余度--- 或者说是“电气备份”。

以现在的技术来看，一般3余度或4余度的电传系统，其可靠性指标基本就已经逼近机械操纵系统了。

电传取代了除了助力器以外的整个机械操纵系统，含有完整的负反馈控制回路，能保证飞行品质的改善。

电传与飞机形成完整的一个闭环系统，驾驶员的闭环作用已经几乎不体现了，驾驶员其实变成了和驾驶仪一样的“外回路”，用自动控制的话来说，就是电传飞机的驾驶员就是个“指令部件”，而不是“动态环节”。

可以说，电传操纵系统的固有品质特性和驾驶员没什么关系。

电传的优点不少：
1. 减重，节约空间
2. 消除了钢索死区，滞后，改善操纵性能，并且提高了飞行控制精度-----尤其对于大飞机，要是用钢索的话没准有几十米长，死区很严重，没准驾驶员拉半天杆，舵面一点反应都还没有。
3. 不会因为机械弯曲造成控制部件卡死
4. 简化了AFCS的接口，促进了现代飞行控制系统功能的拓展，并且直接使ACT技术成为可能。

5. 模拟电传/混合电传和数字电传

这个也算是个长久不息的话题吧。。。

简单来说，模拟电传基本上就是去掉了机械备份的增稳控制系统，只不过余度多（增稳控制系统无余度）。

学过数字电路和模拟电路的兄弟都知道这两者的区别，电传也是一样。

模拟电传就是一切部件和电路都是单功能硬件/电路的电传，再说白了就是用电阻、管儿什么的模拟元件生生拼出来的。

这些电路要实现全部功能，还要进行余度运算和管理，其实很是NB。

一般来说，飞机的传感器，譬如动压/加速度传感器提供的都是交/直流信号，那么对于交流工作的电传系统，需要先把直流信号进行滤波、校正，在通过DA转换成AC信号。对于交流信号呢，要先AD，滤波，校正后再DA。

交流信号之间通过放大器进行综合，形成指令信号，并且经过变增益、滤波等环节，去掉高频信号，驱动舵机。

模拟计算机的神奇之处就在于一个电路一个专用用途，不可干别的。所以模拟计算机里面板子很多，都是专用的小计算机。

模拟电路的设计比较直观，但是飞行控制是个连续、高速处理的过程，模拟系统的致命缺点就是会积累零位偏差和噪声，长时间连续高速处理信号，有可能系统会崩溃/跑飞。

此外有的功能用模拟电路处理起来真的太复杂了------------- 不信你自己搭个能实现余度管理和监控的模拟计算机试下。



随着数字电路的发展，全数字计算机诞生了~~ 此处不再详细介绍。


但是对于电传飞行控制系统来说，并不是说一个或4个计算机就是一个系统，这个系统应该包含传感器、计算机到舵机。

如果是模拟式的传感器+数字式计算机，那么就是混合电传，如果是数字式传感器+数字式计算机，就是全数字电传。



对于数字式飞行控制计算机来说，一般分为几个模块，I/O（输入输出）、CPU（核心处理）、A/D和D/A、PS（电源）、MBI（多路数据总线接口）等。



数字式系统精度高、运算快、资源充足拓展能力强等优势不用说，但是其缺点也是很明显的：

数字电路故障诊断比较麻烦，不能通过测电阻、导通等方式定位故障；
软件是个大麻烦。


对于软件问题，很有可能形成单点故障----------即3或4余度的硬件都没问题，但是由于单余度的软件存在BUG，导致系统全部崩溃。

6. 飞行品质和飞行控制


先说说飞行品质，电传飞行控制系统和传统的机械控制系统相比，将驾驶员/AFCS的控制指令直接与飞机的运动参数相对应起来，而机械系统只能简单地对应舵面的偏角-------- 不同飞行姿态、大气环境和速度条件下，舵面角对应的响应特性是不一样的。

大家通常说电传飞机和机械操纵飞机相比（例如歼11与歼8），极大地改善了飞机的飞行品质，这其中的原因就在于电传系统引入了自动控制系统的负反馈，又引进了控制指令的前馈。

实现这种反馈和前馈的核心是“控制律”。

还记得以前土鸡发过的有关调参控制律的帖子吧，为什么说他把“控制律”写成“控制率”是错误的呢？

因为控制律是指控制的规律，是一种方法论，一种设计思想，而并不是什么“信号比率”那么简单。电传控制律的设计，要求设计人员根据不同飞行任务对飞行品质的要求，单独确定控制结构和控制方法，并且调节反馈和前馈环节的参数结构，针对一个特定的系统进行稳定性设计。

从现在公认的角度来看，飞行品质是指飞机的稳定性、操纵性、座舱环境等，从飞机本体的角度来看，可分为纵向飞行品质和横侧向飞行品质。


以纵向飞行品质来看，纵向飞行品质主要考察的是飞机纵向的静稳定性、动稳定性和纵向操纵性。
纵向静稳定性主要包含迎角静稳定性、速度稳定性、轨迹稳定性；动稳定性则可根据动态系统的振荡特性，区分为短周期模态和长周期模态两种。尽管短周期模态的振荡是收敛的，但是由于短周期模态变化快，驾驶员不容易控制，因此对飞机的纵向动稳定性控制主要是针对短周期模态，例如飞机俯仰角的变化。

飞机的操纵性并不等同于机动性，操纵性好的飞机，机动性未必好，但机动性好的飞机，操纵性一定很好。

分析“自然飞机”的飞行品质是个复杂的过程，现在常用的方法一般是将飞机模型降阶简化。

7. 典型电传飞行控制系统的控制律设计

飞行控制系统是飞机的大脑，控制律则是飞机的灵魂。

之前曾经讨论过歼10的控制律是不是“舶来品”，这个话题多说无益，系统内的人自然清楚怎么回事，我等系统外的爱好者猜测也是没用。

不过从电传控制律的设计角度而言，功能相通的系统，控制规律是大同小异的，通常来说，电传控制律的输入均为驾驶员/AFCS的驾驶杆指令，引入法向过载、角速度等作为反馈信号，通过计算产生舵机控制信号，利用大气参数（如动压、静压）对控制律增益进行调参。


以常见的纵向通道电传控制律来看，纵向通道电传控制律一般包含几个模块：俯仰控制模块、机动指令反馈模块、增稳控制模块、迎角保护模块、前向通道模块、舵机指令生成模块。

在俯仰控制模块中，核心在于前置滤波器数学模型的设计----- 驾驶员的操纵杆动作往往是猛烈的，这对于控制系统意味着发散和高频噪声。前置滤波器的作用就在于缓解驾驶员的输入指令，并补偿电传执行机构（例如舵机）的相位滞后，改善整个系统的品质。

机动指令反馈模块主要用于飞机在稳定时能响应一些特定的输入，一般用动压信号调参。

增稳控制模块是为了保证稳定性。

迎角保护模块是为了纵向的飞行边界保护。

前向通道模块是为了实现自动配平等功能。

舵机控制模块则是为了生成舵机控制指令。


由此可看，电传控制律的核心，还是自动控制理论在物理系统上的应用

8. 电传控制律的设计过程

顺道插一句电传控制律的典型设计过程

1. 由飞机构型入手，完成稳定性与操纵性分析

2. 建立飞机仿真数学模型

3. 进行配平和线性仿真分析

4. 设计/迭代线性控制律

5. 进行多模态仿真，根据仿真结果修正线性控制律的各个数学、自动控制环节

6. 发展全包线范围内的电传控制律调参方案

7. 再进行仿真

8. 驾驶员通过铁鸟台、试飞等过程，进行数学或实物仿真试验

9. 设计并完成全包线控制律

9. Cy-27/30的电传系统

这个话题其实比较敏感，虽说东西都是老毛子70~80年代的东西，但是因为众所周知的原因，只挑出几个点简单说说。

首先大家知道，Cy-27/30这样的飞机为了获得高机动性，放宽了静稳定度，也就是说牺牲了部分“稳定性”，成为静不稳定的飞机。

这意味着如果不加入增稳控制系统的话，飞机在哪怕是很小的扰动下，振动也是趋于发散的。

Cy-27/30的电传针对高机动性飞机的控制特点，采用了放宽静稳定性和边界保护这两种主动控制技术。

Cy-27/30飞机不是纯电传飞机，它纵向取消了机械传动杆，但是横侧向，也就是倾斜和航向上仍然是电传+机械的体制。

Cy-27/30飞机电传的用途，和其它战斗机电传系统的作用基本相同，那就是自动调节控制，适时改变驾驶杆和控制面之间的传动比，自动配平飞机，提高静稳定性，降低飞机振动发散、飘摇的趋势，实现侧向和航向的自动耦合，并且能驱动前缘襟翼等增升控制面，保证飞机的机动性。


Cy-27/30飞机的电传有6个控制通道，分别控制平尾、方向舵、前襟、襟翼和副翼。


严格来讲，Cy-27/30飞机的电传系统远远不止4台计算机，一个安装架那么简单，完整的一套电传还应该包含座舱控制盒、电传专用的三轴角速度传感器、专用的三轴加速度传感器、专用的大气数据传感器、舵机等。

不妨注意下Cy-27/30飞机，可以看到飞机机头左侧和右侧各有一个风标，其实左边的那个风标是给大气机用的，右边的那个就是专门给电传用的。

Cy-27/30飞机的电传比较老旧了，根据俄罗斯相关承制单位的网页资料，结合国内一些论文资料，Cy-27/30的电传由两种模拟计算机组成，在一台计算机内，按照功能模块、控制通道的不同，布置了不下15块儿模拟电路专用板，用于实现各种功能。

之所以说Cy-27/30飞机的电传系统比较典型，是因为Cy-27/30飞机诞生在飞行控制技术迅猛发展的年代，见证了电子技术的发展历程。

10. 国际及国内飞行控制系统的型号应用历程


查了查资料，最早关于飞机稳定性和操纵性分析的著作，是1903年G.H.Bryan编写的，他首次提出了小扰动背景下研究飞机线性化后的运动，并且将运动分解为纵向和侧向，发明了稳定性推导公式。

最早基于陀螺仪进行飞行控制研究的人士Elmer Sperry，时间大约是1909年~1915年左右，这哥们就是大名鼎鼎的斯派雷公司的创始人。

最早实现自动驾驶仪和自动油门耦合控制技术的，也就是最初步的“飞推一体化”，是1947年的C-54运输机，使用斯派雷A-12自动驾驶仪完成的，计算机是IBM公司研制的。

在二战后，飞行控制系统由单余度模拟系统---〉双余度模拟系统---〉全权限三余度模拟系统+机械备份---〉全权限四余度电传---〉全权限四余度数字系统发展到今天的三余度数字系统。

应用单余度模拟飞行控制系统的典型是F-106A截击机；

A3J舰载机用上了双余度模拟系统；

早期电传系统具备一次故障工作能力，典型是F-107，F-111和协和客机；

具备二次故障工作能力的电传系统首先应用于加拿大自行研制的CF-105，随后美国的YF-16，1972年的空中客车A300-B2；

首先采用数字式电传系统取代模拟式电传的是美国F-8C数字电传验证机，随后的F-16型号、F-18、JAS-39等飞机也采用了数字电传；

那国产飞机来说，歼5实现了在副翼通道采用半助力式的操纵系统，歼6实现了全助力/无回力机械操纵系统。

1964年开始设计，1967年7月5日首飞、1977年12月定型，81年交付部队的歼8飞机是全助力机械操纵系统，1987年~1982年期间，J8ACT试验机先后完成了单轴四余度模拟电传和单轴四余度数字电传的研制和验证飞行；

J8II飞机84年研制，87年定型，92~98年期间J8IIACT完成了三轴四余度数字电传系统的研制和试飞，为85年开始与外方合作研制，98年首飞，03年定型，装四余度数字电传的J10打下了技术基础。

而J11，11B飞机沿用了Cy-27飞机的四余度模拟式电传系统，B双升级为四余度数字电传。


曾经有一段时间世界各国都很关注光传系统的研制，也就是FBL（Fly-By-Light），光传系统的好处很多，由于采用了光纤传导技术，飞控系统的重量进一步减重，电磁兼容性极大地被提高，防止了短路，消除了电信号系统的接地、电火花等固有问题，并且具备信号频带宽，容量大等特点，主要缺点是高等级的光纤加工困难、外场修复更困难，且现有的通信和终端处理机制，并不能保证充分发挥光传系统信息流的优势。

从国际上的发展来看，光传技术目前尚处于试验室阶段，即便是国内，搭建过样机网络，依然不能真正应用于实际的批生产型号

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