飞机操纵系统是驾驶员用来操纵飞机上各操纵面实现飞机姿态、航迹控制的系统。早期，飞机的主操纵系统只是简单的机械操纵系统。驾驶员移动驾驶杆或脚蹬，通过由连杆、摇臂、滑轮和钢索等组成的机械传动机构操纵舵面。随着飞机尺寸和重量的增加，飞行速度的提高，使得飞机舵面上产生了较大的铰链力矩，驾驶员难以用简单的机械操纵系统操纵飞机。为了克服舵面铰链力矩,20世纪40年代末开始出现了液压助力器，实现了飞机的助力操纵[1]。 然而，到了20世纪60年代，飞机性能要求越来越高，以机械操纵为主体的控制增稳系统已无法满足要求，并且由于机械系统中存在着摩擦、间隙和弹性变形，精微操纵信号传递问题始终难以解决。飞机设计者们便提出了一种全新的设计方案——电传操纵系统。 1 电传操纵系统简介
电传操纵系统是取代机械操纵系统的电飞行控制系统。它实质上是一种全权限的控制增稳系统。电传操纵系统是将驾驶员发出的操纵指令转换成电信号，并与飞机运动传感器反馈回来的信号综合，经过计算机处理，把计算结果通过电缆传输到自主式舵机的一种飞行控制系统[2]。电传操纵系统是完全取代机械操纵系统对飞机实施全时间、全权限操纵的控制增稳系统。
电传操纵系统主要由指令装置、传感器、飞控计算机和作动器等组成，并且一般电传操纵系统都采用余度备份系统，即为完成规定功能而设置的重复架构、备件等[3]。
2 电传操纵系统的优缺点
2.1电传操纵系统主要的优点
(1)实现“无忧虑操纵”。通过迎角控制和侧滑角抑制可以实现失速和分离的自动保护。通过自动限制法向加速度和滚转角速度可以避免机体应力过大。
(2)易于改善飞机的飞行品质，实现整个飞行包线内操纵品质的优化。在飞行包线内飞机飞行速度和高度变化范围很大，为了使飞机在不同高度、不同速度下飞行性能都能达到最佳的需要，电传操纵系统可以很容易实现控制律参数按M数、高度及速压变化自动调节。
(3)减轻飞机重量，推重比增大，飞机的
飞行速度和高度范围扩大，相应的使用包
线扩大。
(4)操纵中没有因摩擦引起的滞后，可
减少维修量，而且还可以通过放宽静稳定
性、阵风减载、机动载荷控制、机翼和机身
结构振型的阻尼及颤振抑制等主动控制技
术提高飞机的性能。
(5)更容易对系统所采用的前馈、反馈
及补偿滤波特性进行修改和调整，以满足
段远程宽范围的飞行任务和飞行品质的要求，即
实现多任务、多模态的可调整的控制功能。
2.2电传操纵系统主要的缺点
(1)电传操纵系统是一种高性能、高增
益系统，因而由于种种原因容易产生飞行
员诱发振荡。
(2)设计成本较高，软件系统复杂，维护
难度大。
(3)电传操纵系统包括的电子设备多,
系统易受雷击、电磁脉冲的干扰。
3 电传操纵系统的几个关键问题
电传操纵系统直接影响到飞行任务的
完成和飞行安全，在电传操纵系统设计时,
有许多问题需要特别的重视，主要有:
(1)进场着陆控制律的设计。进场着陆
控制律对于保证飞机安全着陆是极其关键
的。影响进场着陆的因素很多，例如时间延
迟、杆力与杆位移特性、短周期阻尼比、闭
环频率响应特性和轨迹响应特性等。通过
对控制律的精心设计，可以有效地改善进
场着陆的飞行品质，从而可确保进场着陆
的飞行安全。
(2)气动特性的准确性。飞控系统是根
据飞机的气动特性设计的，所以它直接影
响到飞机的飞行品质与安全。例如操纵面
效率就正比于系统的稳定裕度，如果由于
风洞实验或静弹性误差而使稳定裕度接近
于零，则飞机将出现灾难性事故。
(3)时间延迟。这是电传操纵系统所带
d2x说明书来的唯一缺陷。对于传统飞机，如果忽略操
纵杆系的惯性、间隙以及弹性，也不计助力
器的动态特性，则可以认为从驾驶杆至舵
面是刚性连接，所以它的操纵时延很小。对
于电传操纵系统，从驾驶杆至舵面，中间有
许多一阶或二阶环节，最终形成一个高阶
系统并引起较大的时间延迟。这是驾驶员
诱发振荡的一个重要因素之一，在设计中
必须精心考虑每一环节，以减小时延。
(4)起动—伺服—弹性稳定性。这是一
种新形式的颤振。由于飞机结构在非定常
气动载荷作用下形成的结构振动，经传感
器传递进入飞控系统，放大后使舵面跟随
振动，可能加剧结构振动，最终导致此闭合
回路的不稳定。
(5)传感器精度。飞控系统要使用各种
传感器，如迎角、速率陀螺、过载、大气数据
和驾驶员指令等传感器。它们或作为指令
信号与反馈信号参与控制律计算，或作为
控制增益的调整与控制模态开关信号，因
此必须要有很高的测量精度才能达到满意
的控制特性，并确保飞行安全。
(6)余度及故障检测、监控设计。飞控系
统是由计算机、传感器、伺服作动器与驾驶
员控制装置等主要部件所组成。为了达到
规定的可靠性要求，通常都设计成四余度
或三余度。各通道信号必须经过表决并取
相同值送入控制律进行计算，还要不断地
对各通道进行监控、报警、故障隔离与故障
重构。此外，为了不使飞机带故障起飞，在
起飞前要能对飞控系统进行自检测。所有
这些都涉及到许多复杂的逻辑运算、判断
和正确设置监控门限等问题，任何小的逻
辑错误就可能导致灾难性事故。
(7)软件可靠性。要有一套严格的软件
研制流程和管理方法，完成后还要进行严
格的测试与验证，以确保该软件可靠。否
则，后果是严重的。
(8)四防设计。四防即为防电源中断、防
丢失液压源、防雷电和防电磁干扰。电源系
统和液压系统应采用余度配置。雷电引起
的峰值电流会在多重电的系统线路间产生
很高的感应电压，因此防雷电和防电磁干
扰是必须考虑的重要问题。
4 电传操纵系统控制律设计
控制律设计是确定飞机操纵面的规律
运动，即确定在不同的飞行状态下，飞机操
纵舵面受哪些变量的控制以及各自控制的
程度。设计满足整个飞行包线的控制律，需
要在飞行包线内选择不同的工作点网格,
并按此进行设计。通过增益调节计划将基
于局部参数的设计综合起来，就形成飞机
民用飞机电传操纵系统设计浅析
张大伟
(上海飞机设计研究院飞控系统设计研究部 上海 200436)
摘 要：电传操纵系统是从上世纪80年代开始在民用飞机上逐步推广使用的飞行操纵系统，它取代了以钢索传动为特征的机械操纵系统,
重量更轻，安全性更高。阐述了电传操纵系统的优缺点，并对飞行操纵系统设计的关键问题进行分析，给出了电传操纵系统的控制律设计
和余度设计的基本要求。希望为民用飞机电传操纵系统的设计和研发提供参考与借鉴。
关键词：民用飞机 电传操纵系统
中图分类号:V249.1文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)10(c)-0056-02
(下转58页) . All Rights Reserved.
的飞行控制律。初始的控制律增益一般是使用根轨迹、特征结构配置和优化控制等方法设计的。然后对设计进行评估，并利用时域和频域方法对设计进行调整，以保证满意的操纵品质和设计的鲁棒特性。生产数据采集
设计飞行控制律所需要的信息一般来自大气数据系统。大气数据系统的设计要能提供完整的信息，如可以提供三余度的迎角和侧滑角信息以及四余度的空速信息等。
飞控系统控制律的设计要使飞机具有良好的操纵品质，使得飞行员的工作负荷较小，对飞行员诱导振荡具有较高的抵抗能力。为了获得满意的设计，需要确定合适的设计标准。首先，进行合理的反馈设计，以获得良好的抗干扰能力；其次，提供希望的操纵特性。飞行员诱发振荡是指飞行员的操纵指令无意识地与飞机的响应正好反相。在正式飞行以前就应该对飞机的操纵品质进行验证，主要通过充分的理论分析、离线模拟、飞行员在回路中的地面模拟或飞行模拟来实现。
飞控系统的设计要保证必要的可靠性和完整性，系统要具有多路结构、相关的余度安排，以及综合的机内自检测能力。大型民用客机其飞行控制律一般是通过数字计算机实现的，这种方法可以提供最大的灵活性，可以实现很复杂的功能。对于数字化的控制律，为了使其能够反映系统的特性,
避免在地面和飞行试验中出现没有预料到
的结果，在系统设计和模拟中所使用的模
型必须考虑数字处理的影响。为了去掉信
号中的高频干扰成分，需要使用滤波器限
制输入信号的带宽。
5 电传操纵系统的余度设计
应用余度技术是提高系统任务可靠
性、安全可靠性和容错能力的有效手段[5]。
飞控系统余度技术的研究主要在于飞控系
统各个环节的余度设计上，如主飞控计算
机的余度管理及冲突表决机制、液压和电
源系统的余度设计、飞控传感器的余度设
计、软硬件的非相似余度，在作动器故障和
舵面故障情况下利用飞机的空气动力余度
进行重构等。
在飞控系统设计过程中，应综合考虑
飞控计算机、总线、作动器电子单元、作动
器、液压源、电源、空气动力、飞控系统组合
余度设计等飞控系统余度配置的关键环
节，明确飞控系统余度设计各个环节的相
互影响关系，从而达到飞机的高安全性和
高可靠性的设计目标。
6 结语
瞬时速度中心
电传操纵系统是民用飞机发展的重要
里程碑，它可减轻飞行员的工作负担，提高
乘坐的舒适度，优化飞机的设计。通过对电
传操纵系统的优缺点、电传操纵系统设计
的关键问题以及控制律设计、余度设计的
简要分析，可以看出电传操纵系统设计过
程中需要注意的一系列问题，对这些问题
的合理解决是完成电传操纵系统设计的必
要条件。我国的大型客机已经进入设计研
发阶段，应注重电传操纵系统技术的研究,
音乐枕头提升知识水平，开发出具有自主知识产权
的产品。
参考文献
[1]鲁道夫·布罗克豪斯.飞行控制[M].北
京：国防工业出版社,1999.
[2]朱妍，景海峰，高亚奎.空客飞机电传控
制律设计分析[C].中国航空学会2007年
学术年会，西安：第一飞机设计研究院
飞行物理研究所,2007.
[3]严雅琳.民用飞机电传飞控系统浅析
[J].民用飞机设计与研究,2010,97(2):
35～36
[4]A330 Flight Crew Operating Manual.
[5]文传源.现代飞行控制[M].北京：北京
航空航天大学出版社,2004.
很难解决，通过在线查看诊断缓冲区信息，能很快解决问题。现场调试，在有经验人员的配合下，从点到面，从局部到整体，从手动到自动，要有序进行，由于有实物动作参照，时间设置，动作有无，十分明显，程序对照修正，现场线路更正也十分顺利。
4 控制系统从S5到S7的升级和扩展
由于我公司现有的全自动混料系统是1998年引进，经过后2年扩展，生产能力达年产6万吨。2007年随着公司规模的发展，原有的规模已不能满足市场需求，通过国际招标，新上3万吨的全自动混料系统，结合公司的整体搬迁要求，新控制系统采用S7-400PLC，把原有的S5控制系统升级纳入到新系统中，形成一个控制系统。到发稿为止大部分的设备已到新厂区，已准备安装搬迁工作，新系统的主要配置流程图。
新系统和现系统在工艺流程上没有大的变化，主要在硬件方面进行升级和扩展整合，编程软件从S5升级到S7，升级后的系统控制功能更强大，操作性和可视性更强，控制系统改变主要如下。
(1)人机界面的升级。用R E I M E L T P R I S M A W E B型工艺控制系统替换现用的I N S T A R系统，用W E B F A C T O R Y型可视化系统替换现用的可视系统。REIM ELT批次管理系统W I N C C是对连续生产过程中各
批次进行规划，控制和记录的工具，它给予
mlh
操作人员最强有力的支持，从发布配方直
到完成的批次记录。WE B工厂型PC可视化
系统显示系统处理的数据和顺序，可显示
详细的处理过程及动态监控等功能。
(2)新上的电控系统。新上一个电控柜
M C C03，含西门子P L C S7-400,C P U417-
4DP，相应的各种控制模块，负责与人机界
面和其它分控柜间通讯。新上一个现场分
控柜CCP06，含PLCS7-ET200M，负责现场
部分机台的物料储存和输送。新上一台混
料机，其分控柜含S7-ET200M。
(3)现有系统的硬件升级。用S7-400扩
展槽更换现有中控室电控柜MCC01/02的
PLC，用相应S7-400模块替换原有输入输出
及接口模块，电控柜MCC01/02变成MCC03
本地扩展。混料机电控柜用S7-ET200M替
换S5-95U。原有分控柜CCP01/02/03可以
使用一个，里面的分控制模块S5-ET200U
由S7-ET200M替换。CCP04/05不需升级。
(4)通讯的升级。人机界面系统经工业
局域网(CP443-1)与SIMATIC S7-417-
4D P连接。电控柜MC C01/02是MC C03本地
扩展,MCC03经西门子IM462/2与MCC01/
2接口模块IM314连接。现场5台混料机分控
柜的5个S7-E T200M通过串行P R O FI B U S
DP与S7-417-4DP连接。称量值数字转换器
用R W A-A D/D P替换原有带I N S T A R接口
RW A-AD，通过串行PR OF IB US D P与S7-
417-4DP连接。现场分控柜CCP06/04/05/
01的4个S7-E T200M通过串行P R O FI B U S
DP与S7-417-4D P连接。
5 项目运行
我公司的全自动混料系统自1998年投
入运行至今已连续稳定的运行了10年，尤
其是西门子S5控制系统基本是无故障运行
至今，确保了公司生产的稳定性和连续性。
该项目的引进当时极大地提高了公司在塑
料行业中的影响力和知名度,10年来为公
司创造了大量的经济效益。为了扩大公司
生产规模，使企业设备更新换代，提高关键
设备的自动化水平，公司2008决定再次引
进一套3万吨的全自动混料系统，把现用的
S5控制系统全面升级为S7控制系统。2009
年11月完成新、老系统的安装和整合，形成
一个功能更强大，控制更先进的年产9万吨
自动化混料系统，为公司带来了很好的经
济效益。
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