论文部分内容阅读
摘要：本论文概述了自动控制原理在直九型直升机KZW-3控制增稳系统中的应用，用控制原理来阐述控制增稳系统中各项功能的实现，结合科研、生产试飞工作中遇到的典型故障问题进行了分析，并总结出分析方法。使读者对控制增稳系统具备了更直观的了解，通过对实践中遇到的典型问题进行分析，提出解决方向，拓宽排故思路。
关键词：自动驾驶仪；控制增稳；自动飞行控制
一、前言
1914年，美国人斯派雷制成了电动陀螺稳定装置，成为了自动驾驶仪的雏形。20世纪30年代，通过在自动驾驶仪中引入角速率信号的方法制成阻尼器或增稳系统，改善了飞机的稳定性，自动驾驶仪发展成飞行自动控制系统。
自动驾驶仪（autopilot），是按技术要求自动控制飞行器轨迹的调节设备，其主要作用是保持飞行器姿态和辅助驾驶员操纵飞行器。随着直升机在军事领域的快速发展以及在民用领域的广泛应用，为提高飞行品质、减少驾驶疲劳，直九型直升机也应用了自动飞行控制系统，即KZW-3控制增稳系统（以下简称控制增稳系统）。该系统是在KJ-13自动驾驶仪系统的基础上，增加了前馈控制，以满足直升机在低空低速时的稳定性和机动性要求，实现控制增稳功能，同时保留原自动驾驶仪基本功能的一套自动飞行控制系统。因系统原理复杂、部件繁多、故障表现多样，给故障排除工作带来了很大的难度。
为了提高今后科研生产工作中控制增稳系统故障的排除效率，降低多次排故所产生的试飞考核成本。本文结合试飞实践工作的经验和体会，从控制增稳系统原理入手，对几个常见的控制增稳系统典型故障问题进行了详细的分析，为该系统飞行故障的处理提供了解决的方向，开拓了故障排除的思路。
二、KWZ-3控制增稳系统基本原理介绍
虽然控制增稳系统的功能很多，实现各个功能的原理又不尽相同，但是其核心原理还是自动控制原理，利用信号反馈的方法来控制直升机实现自动驾驶功能。当某种干扰使直升机姿态发生改变时，传感器部件检测到姿态的变化，从而输出信号，并反馈到计算机中，与输入的预定值进行比较。一旦它们之间存在偏差，计算机便会有输出修正舵偏量信号，通过执行机构操纵直升机调整姿态，直到输出信号与输入的预定值差值为零时，系统便达到稳定状态，飞行控制功能得以实现。
三、控制增稳系统典型故障分析及原理应用
控制增稳系统在直九型机的各个系统中，可以说是最复杂、最抽象的航电系统。它的部件众多、布线繁复、功能多样且原理深奥。随之而来的故障也是多种多样的，而且故障定位也是比较困难的。下面以系统中出现的几个比较典型的故障问题为例，从系统原理入手，分析其产生的原因。
3.1 俯仰、横滚通道故障灯闪亮或长亮问题
3.1.1故障现象：
俯仰、横滚通道最典型、最常见的故障就是在空中飞行时，接通控制增稳系统，故障灯闪亮或长亮。
3.1.2原理分析：
首先，应从导致俯仰、横滚通道告警的原因入手。这就涉及到系统的姿态稳定功能。鉴于俯仰和横滚通道在单工和双工方式下的工作状态以及信号处理方式的相似性，以俯仰轴的雙工状态工作原理进行介绍。
控制增稳系统可以工作在双重工作状态下，即对某一个轴的两个控制通道同时接通，以下称此工作状态为“双工”。此时，在信号传输过程中，两个控制通道相同部位的信号分段取出，经过相应的比较器进行比较、分析和处理。当比较器测试出对同一个轴的两个控制通道之间的信号误差超过规定范围时，系统的自动飞行控制功能将被自动断开以确保安全，并通过相应的警告灯给出警告显示。
控制增稳系统在“双工”工作时，系统具有自动比较监控能力，可对输出信号进行比较监控，输出信号的监控功能如下：
比较器C1T：比较自动导航系统和地平仪两路输出的俯仰姿态信号的一致性，当两者的偏差超过5°时报警，并自动断开控制增稳系统两个的俯仰控制子通道。
比较器C2T：比较控制增稳计算机输出的两路俯仰控制信号的一致性，当两者的偏差超过规定值时报警，并自动断开控制增稳系统两个的俯仰控制子通道。
比较器C3T：当俯仰并联舵机的驱动电路出现故障或俯仰串联舵机输出轴偏离中立位置超过规定门限的时间大于8秒钟时报警。前者自动断开自动配平控制功能，后者仅提供故障显示，并且当串联舵机输出轴返回中立位置时报警消除。
比较器C4T：比较放大器输出的两路总距预控信号的一致性，当两者的偏差超过规定值时报警，并自动切断自动配平功能。
比较器C5T：比较放大器的输出两路驱动马达的功率信号均衡电路或均衡功能失效时报警，并自动断开控制增稳系统两个的俯仰控制子通道。
图2 控制增稳系统俯仰通道简化原理图
由图2可以看出，当控制增稳系统工作在双工时，因为系统可以实现两个通道之间的比较监控功能。俯仰子通道1的信号来自于地平仪，俯仰子通道2的信号来自于惯导。在信号传输过程中，两个控制通道相同部位的信号分段取出，经过相应的比较器进行比较、分析和处理，当比较器C1T、C2T检测出1、2子通道之间的信号误差超过规定值时就会发出告警，反映到系统操纵台上，即俯仰通道故障灯燃亮。所以，比较器C1T、C2T报警是俯仰故障灯闪亮的主要原因。
此外，控制增稳系统也可以在仅接通一个子通道的状态下工作，以下称此工作状态为“单工”，此时自动比较监控功能被抑制。所以，单工状态下不会出现此故障。
综上，两个信号源的输出信号偏差是引起该故障的主要原因，将误差较大的信号源加以修正，使两者偏差值维持在限定范围内是解决该故障的有效途径。
3.2接通控制增稳系统后，姿态保持不住
3.2.1故障描述：
接通控制增稳系统后，直升机存在颠簸现象，姿态不稳定。 3.2.2原理分析：
当控制增稳系统接通后，系统停止同步工作状态并转入姿态保持功能状态，如图3所示。
在俯仰姿态保持状态下，开关K22的触点1和2闭合，断开预置的舵机回零电压，使功率放大器接收前级平均值电路的输出信号，控制舵机运动。
此时，开关K21的触点1和2断开，同步存贮器S21的输入信号为零，其输出信号保持不变，其大小和极性记忆了驾驶仪接通瞬间直升机的俯仰姿态角的信息。当直升机的飞行姿态发生改变时，自动导航系统输出的俯仰姿态信号将和上述被记忆的俯仰姿态基准信号进行比较，其偏差信号经过放大器A21处理后加到下级信号处理电路，通过舵机的运动控制旋翼的运动方向，修正直升机的飞行姿態，直到恢复到被记忆的基准姿态角为止，从而实现俯仰姿态的保持功能。也就是说，直升机将保持系统接通瞬间存储器中存储的姿态飞行，这便是姿态保持功能。
从姿态保持基本原理图上可以看出，产生故障的原因有以下几种可能：
1. 实现此功能的主要部件是控制增稳计算机，有可能其开关A没有断开，但系统仍处于同步状态；或是输出信号不稳定；或是其他电路错误造成。故控制增稳计算机出现故障的可能性大。
2. 姿态信号不稳定或安装角度不正确导致故障出现。
3. 由于某个干扰信号的引入，使输入或输出信号不稳定导致。
同时，气流因素也是我们应该考虑的因素之一。当系统接通的瞬间，如果气流不稳定，会造成存储器精度达不到技术要求，同样也会导致直升机姿态保持不稳定。
此外，通过分析串联舵机的反馈原理，还可以从另外一个方向去分析姿态保持问题。
如图5所示，串联舵机中位置反馈电位计是双联电位计，以航向通道为例，串联舵机中位置反馈电位计的信号反馈至控制增稳计算机后，驱动串联马达工作。如果此时输入到串联马达的信号不平衡，便会使直升机的航向不停地变化、反复进行修正。
3.3自动导航时直升机侧滑，偏航距过大
3.3.1故障现象：
直升机进行自动导航飞行时，发生侧滑；直升机前进方向与预选航线存在偏航角，产生偏航距。
3.3.2原理分析：
从图6可以看出，在自动导航状态下，侧向加速度计输出信号经过积分处理后，通过控制串联舵机的运动以提高航向保持的精度。当侧向加速度计产生侧向信号输出时，将驱动串联舵机和并联舵机运动以改变直升机的当前航向；而此时，直升机正处于自动导航状态，它需要根据控制增稳系统处理后的自动导航信号保持在预定的航线上。当这两种效果叠加起来达到平衡状态后，由于侧向加速度计的输出信号具有积分效应，便会使直升机偏离预定航线，产生偏航角，并在预定航线附近沿着速度矢量的方向做侧滑飞行，从而出现偏航距。
综上，直升机进行水平飞行时，出现偏航距的根本原因是由于侧向加速度计在平飞是有信号输出。这就导致两种可能：
其一，侧向加速度计的零位发生偏移，使侧向加速度计的零位输出电压发生变化，从而产生侧向信号输出，这个信号传递给自动驾驶仪的航向通道，并通过积分环节使航向舵机控制脚蹬做伸出运动，导致直升机产生侧滑，出现偏航距。
其二，因为直九型机的气动平衡特点，决定了其右倾2°～3°的飞行姿态。为保证姿态指示的准确性，机载地平仪在安装时必须左倾2°～3°，用以补偿机身右倾带来的指示误差。同样，为了保证控制增稳系统的正常工作。侧向加速度计的安装基准也应与地平仪一致。否则，驾驶员参照姿态系统认为直升机进行水平飞行时，其实侧向加速度计并不处于水平状态，这就造成了侧向加速度计随机身姿态输出侧向加速度信号，导致直升机发生侧滑。虽然输出的信号很微小，但由于系统内的积分效应，便使直升机始终无法回到预定航线。
四、总结
直九型机的控制增稳系统比较复杂，上述三个故障是比较典型的问题，但产生的原因除了本文所介绍之外，还会有其他因素。我们应当深入的认识和理解系统原理，遇到问题后，以分析系统原理为基础，借鉴经验但不墨守成规，才能快速准确的定位故障原因，解决系统故障。
关键词：自动驾驶仪；控制增稳；自动飞行控制
一、前言
1914年，美国人斯派雷制成了电动陀螺稳定装置，成为了自动驾驶仪的雏形。20世纪30年代，通过在自动驾驶仪中引入角速率信号的方法制成阻尼器或增稳系统，改善了飞机的稳定性，自动驾驶仪发展成飞行自动控制系统。
自动驾驶仪（autopilot），是按技术要求自动控制飞行器轨迹的调节设备，其主要作用是保持飞行器姿态和辅助驾驶员操纵飞行器。随着直升机在军事领域的快速发展以及在民用领域的广泛应用，为提高飞行品质、减少驾驶疲劳，直九型直升机也应用了自动飞行控制系统，即KZW-3控制增稳系统（以下简称控制增稳系统）。该系统是在KJ-13自动驾驶仪系统的基础上，增加了前馈控制，以满足直升机在低空低速时的稳定性和机动性要求，实现控制增稳功能，同时保留原自动驾驶仪基本功能的一套自动飞行控制系统。因系统原理复杂、部件繁多、故障表现多样，给故障排除工作带来了很大的难度。
为了提高今后科研生产工作中控制增稳系统故障的排除效率，降低多次排故所产生的试飞考核成本。本文结合试飞实践工作的经验和体会，从控制增稳系统原理入手，对几个常见的控制增稳系统典型故障问题进行了详细的分析，为该系统飞行故障的处理提供了解决的方向，开拓了故障排除的思路。
二、KWZ-3控制增稳系统基本原理介绍
虽然控制增稳系统的功能很多，实现各个功能的原理又不尽相同，但是其核心原理还是自动控制原理，利用信号反馈的方法来控制直升机实现自动驾驶功能。当某种干扰使直升机姿态发生改变时，传感器部件检测到姿态的变化，从而输出信号，并反馈到计算机中，与输入的预定值进行比较。一旦它们之间存在偏差，计算机便会有输出修正舵偏量信号，通过执行机构操纵直升机调整姿态，直到输出信号与输入的预定值差值为零时，系统便达到稳定状态，飞行控制功能得以实现。
三、控制增稳系统典型故障分析及原理应用
控制增稳系统在直九型机的各个系统中，可以说是最复杂、最抽象的航电系统。它的部件众多、布线繁复、功能多样且原理深奥。随之而来的故障也是多种多样的，而且故障定位也是比较困难的。下面以系统中出现的几个比较典型的故障问题为例，从系统原理入手，分析其产生的原因。
3.1 俯仰、横滚通道故障灯闪亮或长亮问题
3.1.1故障现象：
俯仰、横滚通道最典型、最常见的故障就是在空中飞行时，接通控制增稳系统，故障灯闪亮或长亮。
3.1.2原理分析：
首先，应从导致俯仰、横滚通道告警的原因入手。这就涉及到系统的姿态稳定功能。鉴于俯仰和横滚通道在单工和双工方式下的工作状态以及信号处理方式的相似性，以俯仰轴的雙工状态工作原理进行介绍。
控制增稳系统可以工作在双重工作状态下，即对某一个轴的两个控制通道同时接通，以下称此工作状态为“双工”。此时，在信号传输过程中，两个控制通道相同部位的信号分段取出，经过相应的比较器进行比较、分析和处理。当比较器测试出对同一个轴的两个控制通道之间的信号误差超过规定范围时，系统的自动飞行控制功能将被自动断开以确保安全，并通过相应的警告灯给出警告显示。
控制增稳系统在“双工”工作时，系统具有自动比较监控能力，可对输出信号进行比较监控，输出信号的监控功能如下：
比较器C1T：比较自动导航系统和地平仪两路输出的俯仰姿态信号的一致性，当两者的偏差超过5°时报警，并自动断开控制增稳系统两个的俯仰控制子通道。
比较器C2T：比较控制增稳计算机输出的两路俯仰控制信号的一致性，当两者的偏差超过规定值时报警，并自动断开控制增稳系统两个的俯仰控制子通道。
比较器C3T：当俯仰并联舵机的驱动电路出现故障或俯仰串联舵机输出轴偏离中立位置超过规定门限的时间大于8秒钟时报警。前者自动断开自动配平控制功能，后者仅提供故障显示，并且当串联舵机输出轴返回中立位置时报警消除。
比较器C4T：比较放大器输出的两路总距预控信号的一致性，当两者的偏差超过规定值时报警，并自动切断自动配平功能。
比较器C5T：比较放大器的输出两路驱动马达的功率信号均衡电路或均衡功能失效时报警，并自动断开控制增稳系统两个的俯仰控制子通道。
图2 控制增稳系统俯仰通道简化原理图
由图2可以看出，当控制增稳系统工作在双工时，因为系统可以实现两个通道之间的比较监控功能。俯仰子通道1的信号来自于地平仪，俯仰子通道2的信号来自于惯导。在信号传输过程中，两个控制通道相同部位的信号分段取出，经过相应的比较器进行比较、分析和处理，当比较器C1T、C2T检测出1、2子通道之间的信号误差超过规定值时就会发出告警，反映到系统操纵台上，即俯仰通道故障灯燃亮。所以，比较器C1T、C2T报警是俯仰故障灯闪亮的主要原因。
此外，控制增稳系统也可以在仅接通一个子通道的状态下工作，以下称此工作状态为“单工”，此时自动比较监控功能被抑制。所以，单工状态下不会出现此故障。
综上，两个信号源的输出信号偏差是引起该故障的主要原因，将误差较大的信号源加以修正，使两者偏差值维持在限定范围内是解决该故障的有效途径。
3.2接通控制增稳系统后，姿态保持不住
3.2.1故障描述：
接通控制增稳系统后，直升机存在颠簸现象，姿态不稳定。 3.2.2原理分析：
当控制增稳系统接通后，系统停止同步工作状态并转入姿态保持功能状态，如图3所示。
在俯仰姿态保持状态下，开关K22的触点1和2闭合，断开预置的舵机回零电压，使功率放大器接收前级平均值电路的输出信号，控制舵机运动。
此时，开关K21的触点1和2断开，同步存贮器S21的输入信号为零，其输出信号保持不变，其大小和极性记忆了驾驶仪接通瞬间直升机的俯仰姿态角的信息。当直升机的飞行姿态发生改变时，自动导航系统输出的俯仰姿态信号将和上述被记忆的俯仰姿态基准信号进行比较，其偏差信号经过放大器A21处理后加到下级信号处理电路，通过舵机的运动控制旋翼的运动方向，修正直升机的飞行姿態，直到恢复到被记忆的基准姿态角为止，从而实现俯仰姿态的保持功能。也就是说，直升机将保持系统接通瞬间存储器中存储的姿态飞行，这便是姿态保持功能。
从姿态保持基本原理图上可以看出，产生故障的原因有以下几种可能：
1. 实现此功能的主要部件是控制增稳计算机，有可能其开关A没有断开，但系统仍处于同步状态；或是输出信号不稳定；或是其他电路错误造成。故控制增稳计算机出现故障的可能性大。
2. 姿态信号不稳定或安装角度不正确导致故障出现。
3. 由于某个干扰信号的引入，使输入或输出信号不稳定导致。
同时，气流因素也是我们应该考虑的因素之一。当系统接通的瞬间，如果气流不稳定，会造成存储器精度达不到技术要求，同样也会导致直升机姿态保持不稳定。
此外，通过分析串联舵机的反馈原理，还可以从另外一个方向去分析姿态保持问题。
如图5所示，串联舵机中位置反馈电位计是双联电位计，以航向通道为例，串联舵机中位置反馈电位计的信号反馈至控制增稳计算机后，驱动串联马达工作。如果此时输入到串联马达的信号不平衡，便会使直升机的航向不停地变化、反复进行修正。
3.3自动导航时直升机侧滑，偏航距过大
3.3.1故障现象：
直升机进行自动导航飞行时，发生侧滑；直升机前进方向与预选航线存在偏航角，产生偏航距。
3.3.2原理分析：
从图6可以看出，在自动导航状态下，侧向加速度计输出信号经过积分处理后，通过控制串联舵机的运动以提高航向保持的精度。当侧向加速度计产生侧向信号输出时，将驱动串联舵机和并联舵机运动以改变直升机的当前航向；而此时，直升机正处于自动导航状态，它需要根据控制增稳系统处理后的自动导航信号保持在预定的航线上。当这两种效果叠加起来达到平衡状态后，由于侧向加速度计的输出信号具有积分效应，便会使直升机偏离预定航线，产生偏航角，并在预定航线附近沿着速度矢量的方向做侧滑飞行，从而出现偏航距。
综上，直升机进行水平飞行时，出现偏航距的根本原因是由于侧向加速度计在平飞是有信号输出。这就导致两种可能：
其一，侧向加速度计的零位发生偏移，使侧向加速度计的零位输出电压发生变化，从而产生侧向信号输出，这个信号传递给自动驾驶仪的航向通道，并通过积分环节使航向舵机控制脚蹬做伸出运动，导致直升机产生侧滑，出现偏航距。
其二，因为直九型机的气动平衡特点，决定了其右倾2°～3°的飞行姿态。为保证姿态指示的准确性，机载地平仪在安装时必须左倾2°～3°，用以补偿机身右倾带来的指示误差。同样，为了保证控制增稳系统的正常工作。侧向加速度计的安装基准也应与地平仪一致。否则，驾驶员参照姿态系统认为直升机进行水平飞行时，其实侧向加速度计并不处于水平状态，这就造成了侧向加速度计随机身姿态输出侧向加速度信号，导致直升机发生侧滑。虽然输出的信号很微小，但由于系统内的积分效应，便使直升机始终无法回到预定航线。
四、总结
直九型机的控制增稳系统比较复杂，上述三个故障是比较典型的问题，但产生的原因除了本文所介绍之外，还会有其他因素。我们应当深入的认识和理解系统原理，遇到问题后，以分析系统原理为基础，借鉴经验但不墨守成规，才能快速准确的定位故障原因，解决系统故障。