薛源 王博 江飞鸿 薛轶凡
摘要：大型飞机的速度/马赫数超过了使用包线右边界后，会对机体结构强度造成损伤，飞行员需要在短时间内以较大的操纵负担将飞机改出超速状态。本文研究提出了超速保护功能的设计理念及要求，采用模糊控制策略设计了超速保护控制律，控制飞机超速后自动产生相应的正法向过载，爬升减速改出超速状态，从而达到对速度/马赫数的自动保护，提高飞机超速后安全性及减轻飞行员操纵负担。仿真结果表明，该控制律能够有效保证飞机超速后对速度/马赫数的保护及使飞机自动改出超速状态，飞机响应满足相关规范要求，具有良好的控制效果。
关键词：超速保护；模糊控制；控制律；大飞机；仿真
中图分类号：V249.1文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.10.007
随着航空科学技术的发展，飞行控制系统经历了机械操纵控制、模拟电路控制及数字计算机控制的发展历程，现代飞机广泛采用基于数字计算机的电传飞行控制系统。数字计算机控制具有容易实现复杂控制律结构及参数复杂变化规律的优势，在解决了飞机操纵性及稳定性传统问题的基础上，为减轻飞行员操纵负担和提高飞机安全性，飞行包线边界保护功能也被列入数字电传飞行控制系统飞机的必备需求。
对于大型飞机而言，其任务使命决定了对高安全性的要求，长航时飞行的特点提出了减轻飞行员操纵负担的需求。因此，飞行包线边界保护功能对于大型飞机尤其重要。超速保护功能是大型飞机一项重要的飞行包线边界保护功能，能够有效防止飞机速度过大造成机体损伤，并实现将飞机自动改出超速状态，减轻飞行员操纵负担。目前，空客和波音公司生产的典型大型飞机（如A320系列和波音777系列）都具有超速保护功能，实现了在飞行包线右边界附近的“无忧虑”安全飞行。然而，我国大型飞机数字电传飞行控制系统发展起步较晚，需要对飞行包线边界保护功能进行研究，为大型飞机研制及发展提供理论及技术支撑[1]。
对目前现役的典型运输类飞机的超速保护功能进行分析，結合适航条款等规章要求，提出超速保护控制律的设计要求及理念，采用模糊控制策略完成超速保护控制律的设计，实现飞机超速保护功能。
1问题描述
能够实现“无忧虑”操纵，这是数字电传飞行控制系统飞机的主要特点之一。为了避免飞机速度过大而造成机体结构强度损伤，在飞行手册中一般会明确飞机的最大使用速度/马赫数（VMO/MaMO）及设计俯冲速度/马赫数（VD/ MaD）。当飞机超过最大使用速度/马赫数时，告警系统会给予飞行员超速告警提示，飞行员发现飞机超速后就必须操纵飞机减速，由于在高速状态下飞机法向过载响应灵敏，因此在改出超速状态时需要注意飞机法向过载的变化。由此可见，飞机超速后需要飞行员以较大的负担操纵飞机回到正常速度。为了减轻飞行员负担及提高飞机安全性，需要设计超速保护控制律，即当飞机超速后，对飞机速度进行保护，避免速度进一步增大，同时提供自动改出超速的能力。
2设计要求及设计理念
2.1设计要求
目前，我国大型飞机设计参考的主要规范有我国的GJB 2874—1997电传操纵系统飞机的飞行品质、GJB 185—1986有人驾驶飞机（固定翼）飞行品质以及美国的MIL-HDBK—1797有人驾驶飞机（固定翼）飞行品质，以及美国的CCAR 25部运输类飞机适航标准及AC 25-7C运输类飞机合格审定飞行试验指南等，这些规范中未对超速保护功能有明确的要求。其中，CCAR 25部25.253条高速特性章节，给出了增速特性和速度恢复特性要求，但并未明确给出针对超速保护功能的要求。AC 25-7C中给出了高速特性试飞方法及要求，对超速改出期间的法向过载提出了定量要求，即通过申请人选定的改出程序改出，在改出期间法向过载不应大于1.5（总的）。结合设计目的及相关要求，超速保护功能设计要求如下：（1）安全性要求：最严酷的操纵工况下（持续满推杆情况），飞机速度不超过设计俯冲速度/马赫数。（2）舒适性要求：按照AC 25-7C中的要求，当飞机以6°～l2°的俯仰姿态俯冲，加速到超速告警发出后3s，通过规定的改出程序改出，在改出期间法向过载不大于1.5。
2.2设计理念
通过对飞行手册进行研究，空客和波音公司现役5种机型的超速保护功能目的及设计理念见表1。可看出，当飞机速度增大到VMO/MaMO以上时，超速保护功能开启，俯仰配平被冻结，飞行员操纵飞机俯冲的指令被衰减，同时使飞机产生一个持续的正过载，飞机逐渐抬头爬升，从而限制飞机速度的继续增大，使飞机自动改出超速状态。另外，A380飞机明确了持续满推杆操纵情况下，飞机速度也会被限制在相应速度范围内。
3控制律设计
3.1控制律架构设计
控制增稳控制律实现对飞机操纵性和稳定性的改善，使飞机具有良好的飞行品质。将控制飞机法向过载作为纵向控制增稳的目标，控制增稳控制律作为内回路，超速保护控制律作为外回路，从而实现超速保护功能，控制律架构如图1所示。
内回路采用经典的比例-积分控制算法，前向通道将驾驶杆位移转换为过载指令；比例通道引入俯仰角速率和法向过载反馈，改善过载响应动态特性；积分通道实现过载指令的无静差控制，从而达到杆位移操纵对飞机法向过载精确控制的目的。外回路基于当前飞机指示空速和马赫数，采用模糊控制策略生成超速保护驾驶杆位移指令，并与驾驶杆位移进行综合，通过内回路实现飞机法向过载的精确控制，改变飞机姿态，实现速度/马赫数的保护[2-4]。另外，飞行员推杆操纵会使飞机建立俯冲姿态，导致飞机速度增加。因此，当飞机超速后，需要对推杆操纵进行衰减，从而抑制由于操纵产生的飞机速度的增加。拉杆操纵会使飞机建立爬升姿态，使飞机速度减小，因此超速后对拉杆操纵不进行衰减，该功能由图1中的超速后推杆操纵衰减模块实现。
3.2模糊控制器设计
采用模糊控制策略生成外回路超速保护驾驶杆位移指令，根据当前飞机指示空速/马赫数的大小，实时调整超速保护驾驶杆位移指令，控制飞机产生法向过载爬升减速，达到对飞机速度/马赫数的保护，图1中外回路模糊控制器架构如图2所示。设指示空速和马赫数分别为输入，指示空速语言变量为Vi，论域为{小，中，大}，输入范围为[VMOVD]；马赫数语言变量为Ma，论域为{小，中，大}，输入范围为[MaMO MaD]；超速保护驾驶杆位移指令为输出，语言变量为Cmd，论域为{弱，中，强}，隶属度函数选为高斯型函数形式[5-8]。
制定如下模糊规则调整超速保护驾驶杆位移指令：（1）如果Vi为小且Ma为小，则Cmd为弱；（2）如果Vi为小且Ma为中，则Cmd为中；（3）如果Vi为小且Ma为大，则Cmd为强；（4）如果Vi为中且Ma为小，则Cmd为中；（5）如果Vi为中且Ma为中，则Cmd为中；（6）如果Vi为中且Ma为大，则Cmd为强；（7）如果Vi为大且Ma为小，则Cmd为强；（8）如果Vi为大且Ma为中，则Cmd为强；（9）如果Vi为大且Ma为大，则Cmd为强。
由以上模糊规则可知，当Vi为小且Ma为小时，指示空速和马赫数分别超过VMO和MaMO较少，需要较弱的超速保护指令对飞机速度进行保护；当Vi为小且Ma为中，或者Vi为中且Ma为小时，或者Vi为中且Ma为中，说明指示空速或马赫数分别超过VMO或MaMO较多，需要中等的超速保护指令对飞机速度进行保护；当Vi为大或Ma为大，或者Vi为大且Ma为大时，说明指示空速或马赫数分别大幅超过VMO或MaMO，需要较强的超速保护指令对飞机速度进行保护。通过以上模糊控制规则，能够根据当前指示空速和马赫数合理的调整超速保护驾驶杆位移指令，控制飞机产生相应的法向过载，实现对飞机速度的保护[9-10]。另外，按照AC 25-7C中对飞机俯冲进入超速状态后改出过程法向过载不大于1.5的要求，需要根据对象飞机的杆位移-过载梯度设置Cmd的范围，进而保证超速保护驾驶杆位移指令产生的法向过载指令在该工况不超过1.5。
4仿真结果
假設某飞机VMO为550km/h，VD为640km/h，MaMO为0.77，MaD为0.83，飞机重量（质量）为150t，高度8km，驾驶杆位移范围为[-150 100]mm。模糊控制策略中的Vi输入范围为[550 640]，Ma输入范围为[0.77 0.83]。设该飞机的杆位移—过载梯度为100mm，Cmd输出范围设置为[0 100]，即超速保护功能最大产生1法向过载增量。隶属度函数分别为图3～图5所示，图中纵坐标为隶属度，取值范围为[0 1]，隶属度接近1，表示对于横坐标属于相应的语言变量程度越高；隶属度接近0，表示对于横坐标属于相应的语言变量程度越低。另外，当指示空速达到580km/h或马赫数达到0.8时，将推杆位移指令衰减至0。按照以下两种工况进行仿真。
（1）工况1
验证前述设计要求中的“舒适性要求”。马赫数超速后的保护逻辑与指示空速超速保护逻辑相同，仅进行指示空速超速情况仿真，对于马赫数超速情况不再赘述。
仿真曲线如图6所示，在第2s时进行推杆操纵建立俯冲俯仰角，4.5s时刻俯冲俯仰角达到12°，俯仰角建立成功后驾驶杆回中，随后飞机俯冲增速，5.8s时指示空速大于VMO进入超速状态，当超过VMO后3s飞行员按照指定的超速改出程序立即收油门至慢车位，之后超速保护功能自动将飞机改出超速状态。整个过程飞机指示空速未超出VD，且法向过载最大为1.42，满足不超过1.5的要求。
（2）工况2
验证前述设计要求中的“安全性要求”。仿真曲线如图7所示，从第5s时开始持续满推杆操纵，飞机最大俯冲俯仰角超过了20°，最大指示空速为633km/h，最大马赫数为0.798，均未超出VD和MaD，达到了极限操纵工况下对飞机速度/马赫数保护的效果。由于油门杆一直处于最大油门位置，因此图7中未绘制油门杆曲线。
通过仿真曲线可看出，两种工况在超速保护控制律作用下，飞机速度/马赫数、法向过载等响应满足设计要求，所设计的控制律有效地实现了对飞机速度/马赫数的保护。
5结束语
本文研究了大型飞机超速保护控制律设计问题，分析了超速保护功能设计理念及设计要求，基于模糊控制理论设计了超速保护控制器，实现了飞机速度/马赫数超速后自动改出及保护。仿真结果验证了该控制律的有效性，能够为大型飞机超速保护功能设计提供参考。
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作者简介
薛源（1986-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：飞行控制系统控制律设计。
Tel：13709194905
E-mail：xueyuan007521@126.com
Design and Simulation of Fuzzy Control Law for Overspeed Protection of Large Aircraft
Xue Yuan*，Wang Bo，Jiang Feihong，Xue Yifan
AVIC The First Aircraft Institute，Xian 710089，China
Abstract： The speed/Mach number of a large aircraft exceeds the right boundary of the flight envelope， which will cause damage to the structural strength of the aircraft. The pilot needs to change the aircraft out of the overspeed condition with a large maneuvering burden in a short time. The paper proposes the design concept and requirements of the overspeed protection function. The fuzzy control strategy is used to design the overspeed protection control law. After overspeed， the corresponding normal overload is automatically generated. The speed is reduced out of the overspeed state due to climbs up， thus reaching the protection of speed/Mach number. It improves the safety of the aircraft and reduces the pilots handling burden. The simulation results show that the control law can effectively guarantee the speed/Mach number protection after the aircraft overspeed and automatically change the aircraft out of the overspeed state. The aircraft response meets the relevant specifications and has good control effect.
Key Words： overspeed protection； fuzzy control； control law； large aircraft； simulation
