就直升机电传飞控系统而言，若以其理想的ADS-33E响应类型为基础构建显模型，采用模型跟踪控制律设计原理进行控制律设计，则在理想情况下，在保证系统具有良好动态和稳态性能的同时，还可实现直升机的响应特性与飞行品质要求的响应类型一致，保证直升机各个模态飞行品质满足要求。
棉絮加工本文基于ADS-33E飞行品质评价准则，以面向任务的响应类型的指标要求为基础构建指令模型，采用显模型跟踪方法进行无地效悬停状态下纵向通道电传飞控系统控制律设计及仿真验证。
1 响应类型
直升机的响应类型是指直升机对操纵输入的响应特性。响应特性由直升机本身的特性及控制系统决定。ADS33-E中规定了旋翼类飞行器的响应类型包含姿态指令姿态保持响应类型（ACAH）、速率指令航向保持响应类型（RCDH）和垂向速率指令高度保持响应类型（RCHH）等[4，5]。这些响应类型直接关系到飞行员完成预定任务的精确程度和工作负荷，是评价直升机飞行品质的一个重要标志。由于直升机操纵方式独特，结构耦合复杂，飞行状态较多，每种状态下的空气动力学特性差异很大，因而仅依靠直升机的裸机特性很难达到良好的响应效果，必须通过控制律设计才能实现理想的响应类型效果。
直升机在执行飞行任务中，需要多种响应类型。响应类型的选择应根据直升机所要执行的任务科目、使用目视环境条件和所要求的飞行品质等级来确定。ADS-33E中对直升机执行不同任务科目时的不同响应类型指标做了明确要求。参考文献[9]和参考文献[10]对直升机不同目视条件下执行各项任务科目需要的响应类型进行了归纳。由文献可知，执行所有任务科目（包含悬停低速和前飞状态），要在较差的条件下下达到飞行品质等级1的要求，如不良目视环境（环境感知度UCE=2），均需采用ACAH响应类型。
ACAH响应类型是指飞行员的操纵输入产生正比于输入量的姿态角响应，操纵结束后，飞机以新的姿态角为基准稳定在新的配平位置。ACAH响应类型可帮助飞行员实现不良目视条件下的精确姿态角控制。
2 显模型跟踪控制律设计
模型跟踪控制系统的基本原理为：控制指令作用于显模型，显模型产生的模型状态变量与系统相应的状态变量相比较，得到的状态误差通过控制系统的控制作用产生相应控制信号。如图1所示。理想情况下，状态误差为0，被控对象的动态特性与显模型的特性一致。显模型完全跟踪被控对象的状态变化[7，8，11]。
图1 显模型跟踪设计基本原理图Fig.1 Basic principle diagram of explicit model following design
图中P（s）为被控对象、H（s）为反馈补偿模块、为逆模型、D（s）为显模型。
显模型跟踪控制系统的传递函数为：
若直升机拟模型十分准确，则有则：
由式（2）可知，理想情况下，闭环系统的输出等于指令模型的输出，与被控对象无关。如此，通过设计期望的指令模型，则可实现系统对指令信号的精确跟踪，进而实现系统任何期望的响应类型。
3 直升机ACAH响应类型显模型控制律设计
由于直升机是一个高阶、非线性、强耦合和不稳定的对象，不可能取得直升机精确的逆模型，另一方面，逆模型与真实模型存在偏差，需采用反馈补偿的方法来取消二者的差异，因此，将采用的直升机显模型控制框图简化为图2，其中显模型用于构造系统期望的响应，反馈控制用来消除期望响应和实际系统响应之间的偏差。
图2 直升机显模型跟踪控制框图Fig.2 Helicopter explicit model following control block diagram
3.1 ACAH响应类型模型设计
ASD-33E对直升机悬停状态下的ACAH响应类型的指标要求为[4，9]：
（1）对座舱纵（横）向操纵器的阶跃输入，应在6s内产生成比例的俯仰（滚转）姿态变化。在阶跃输入后的6～12s之间，姿态应保持不变。
（2）对纵（横）向操纵机构的脉冲输入，其俯仰姿态应在20s（对于UCE=1）或10s内（对于UCE=2）回到俯仰姿态偏离峰值的10%或1°以内（取较大值），滚转姿态在10s内（回到偏离峰值的10%或1°以内（取较大值））。
（3）悬停状态下俯仰（滚转）姿态对纵向（横向）座舱操纵位移输入的小幅/中高频频域响应须符合图3中规定的范围。
图3 悬停状态下小幅/中高频频域响应Fig.3 Small scope/high rate frequency domain response of hover state
根据参考文献[4]中对理想ACAH模型的选取经验，得到ACAH响应类型模型为：
式中：C表示的飞机响应对杆头输入的灵敏度，依据工程经验，取为 0.8°/（°）， 其中杆头输入的单位由弧度（mm）折算为度（°），反映杆头与驾驶舱地板的纵向夹角。
对于模型（3），为满足ACAH响应指标中时域响应快速性，同时保证超调量较小的要求，选择ζ=0.7。
氟橡胶成分分析根据图3中的指标要求，为保证悬停状态ACAH俯仰姿态角响应满足等级1的要求，选择ωBW=（ωBW）phase=3rad/s，由此可得：
根据式（4），可得 ωn=1.6rad/s。
由此可得，ACAH模型为：
通过MATLAB仿真，得到ACAH响应模型的阶跃输入响应和频域响应如图4所示。
图4 ACAH模型输入响应（时域和频域）Fig.4 ACAH model input response （time domain and frequency domain）
质粒拯救由响应曲线可知，所构造的显模型满足ADS-33E对直升机悬停状态对俯仰ACAH响应类型等级1的指标要求。
3.2 反馈补偿跟踪偏差修正控制律设计
HDPE多孔加筋缠绕波纹管根据4.1节构造的ACAH指令模型，设计出反馈补偿跟踪偏差修正控制律框图如图5所示。其中K1项表示对俯仰姿态期望值与实际值偏差的比例修正，K2项表示对俯仰姿态期望值与实际值偏差的积分修正，K3项表示对俯仰角速率期望值与实际值的比例修正。
图5 反馈补偿控制律框图Fig.5 Block diagram of feedback compensation control low
3.3 仿真及分析
以某型机悬停状态下模型为基础，根据MATLAB中的响应优化设计方法，得出跟踪ACAH响应（见图4）理想的K1=1.5，K2=0.3，K3=0.4。对图5进行闭环仿真验证，给定5°杆头阶跃输入和一定量的脉冲输入，进行MATLAB仿真，得到输出响应如图6～图7所示。
图6 闭环系统时域响应Fig.6 Time domain response of the closed loop
图7 闭环系统频域响应Fig.7 Frequency domain response of the closed loop
仿真结果表明，在杆头纵向操纵输入下，俯仰角可在6s内达到稳定状态。杆头脉冲输入下，飞机俯仰姿态可在7s回到偏离峰值的10%以内。闭环系统的频域响应效果较好，带宽在4.2rad/s左右。直升机悬停状态下的俯仰姿态ACAH响应满足飞行品质等级1的需求。
4 结束语
对飞行品质的研究和对先进控制律设计方法的研究一直是直升机品质与控制领域研究的热点。如何做好这两个领域的衔接，将对直升机品质指标的要求揉合到控制律设计中，是设计者需着重研究的新方向。以飞行品质指标要求为输入，进行满足特定任务的基于具体指标要求的正向控制律设计，已逐渐成为当代飞控系统设计的新方向，这种面向任务的设计方法具有更好的目标导向性。本文针对悬停状态下俯仰轴姿态保持功能，以ADS-33E中的ACAH响应指标要求为设计目标，基于小扰动线性化方程，构造以俯仰杆头操纵量为输入、期望的俯仰姿态角为输出的满足飞行品质等级1要求的ACAH响应类型显模型，采用了显模型跟踪法进行控制律设计。为保证闭环系统输出最大限度的逼近指令模型，采用响应优化设计法进行跟踪偏差的修正。仿真结果表明，该方法设计的控制律构型及参数可满足悬停状态纵向ACAH飞行品质等级1的要求。本文的控制构型和方法也可用于横滚轴ACAH响应以及速度保持和高度保持等高级自驾模态的控制律设计。
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