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1、控制学科与工程学科前沿技术讲课程作业光传飞行控制系统调研论述 姓名：邓金 学号:SX1503159 南京航空航天大学研究生院自动化学院二一五年十二月摘要 相对于电传操纵，光传操纵具有抗电磁干扰、传输容量大和体积小重量轻等优点，是未来飞行控制技术发展的趋势和研究热点。本文以舰载机起降光传飞行控制地面半物理仿真验证平台建设为引导，对光传飞行控制计算机系统、信号光传/能量电传作动器系统、光传现代飞行控制律以及光传余度实现等关键技术进行了设计开发与仿真验证，研究成果对光传飞行控制系统的设计与工程实现具有重要的理论意义和工程实用价值。 关键词：光传操纵，飞行控制计算机，信号光传/能量电传作动器，MIL-
2、STD-1773 光总线，光交叉通道数据链路 ABSTRACTCompare to the fly-by-wire system, the fly-by-light system has an ability of anti-electromagnetic interference, large transmission capacity, small volume and light weight. So it is the future development trend and research focus in the field of flight control system. I
3、n this paper, a carrier takeoff and landing hardware-in-loop simulation platform is developed to verify the fly-by-light system. The key technique of the fly-by-light, such as flight control computer, fly-by-light/ power-by-wire actuator, modern flight control law, and redundancy technology with fau
4、lt diagnosis, is designed and verified. The research achievement of this paper has a very important application value for the realization of fly-by-light system. Keywords: fly-by-light, flight control computer, fly-by-light/power-by-wire actuator, MIL-STD-1773 optical data bus, optical cross channel
5、 data link 目录一、研究背景与意义5二、 国内外研究概况6三、研究价值与创新性分析7四、进一步研究展望9五、改进建议9参考文献10一、研究背景与意义 为了提高飞行操纵品质、生存能力及可靠性，新一代高性能飞机已经普遍采用了电传飞控系统（FBW），如F-18，幻影2000，波音767等。电传操纵系统最早是为了解决飞行器的稳定性而开发。在二十世纪60年代后，某些飞行器为了降低阻力而造成稳定性急剧下降。还有某些飞行器在整个飞行包线内稳定性变化较大，这样导致飞行员控制压力加大，甚至根本无法控制飞机。为此，将陀螺仪加入飞机的机械控制系统中，用来产生一个辅助的控制信号，通过一套机械机构将增稳信号叠
6、加到飞行员输入的控制信号中。随着70年代末电子技术的大发展，西方最早开始尝试直接将飞行员的操纵信号直接接入计算机，从而放弃了全部机械控制系统，构成了完全由电气设备组成的电传操纵系统。 但是，未来的轻型飞机将会越来越多地采用复合材料代替铝合金，在减轻飞机重量的同时, 也失去了金属机身对于雷电、电磁干扰及核辐射的屏蔽作用。此外, 现代飞机舱内电子设备增多, 布局相对遥远, 导致电缆用量大增, 不仅增加了飞机重量, 还会引起线间干扰及地环流影响, 对电信号的正常传输造成干扰。在当今电磁环境日益恶劣、电子对抗更加激烈的情况下, 提高飞控系统的抗电磁干扰能力势在必行。而解决这一问题的最根本方法就是发展光
7、传飞控系统( FBL）即应用光纤技术实现信号传输的飞行控制系统。该系统相对于电传飞控系统具有以下独特的优点:（1）可有效地防御电磁感应、电磁干扰、核爆炸电磁脉冲。光纤信号不向外辐射能量, 不存在地环流引起的瞬间扰动。工作温度低, 不会产生火花, 耐高温和腐蚀。因此, 系统的安全性和可靠性高。（2）光纤可输送宽频带、高速率、大容量信号, 采用频分或时分复用技术可实现多路信号的传输, 能满足设备管理系统对数据传输能力不断增长的需求。（3）光纤的故障隔离性好, 当一个通道发生故障时不会影响其它通道。（4）由5102 晶体制成的光纤又轻又细, 极大地减小了传输线的重量和体积, 节省了机内空间, 便于敷
8、设。（5)利用光纤技术可有效降低飞机的全寿命成本。因此, 新一代军民用飞机采用光传飞控系统代替或部分代替电传飞控系统, 将给飞机提供全时间、全权限的飞行控制。这必将大大提高飞机的飞行品质及抗电磁干扰、电磁脉冲和雷击的能力, 增强飞机安全性和生存能力。二、 国内外研究概况 国外光传飞控系统的发展始于20世纪70年代。1974年, 美国空军的NC-I3IH TIF 飞机飞控系统中第一次采用了光纤技术, 不过只是单纯用于传输飞行员操纵指令、飞机飞行状态信号以及舵面反馈信号, 同时飞机保留了电信号传输系统。1980年, 一架美国海军T-ZC“橡树”教练机首次飞行验证了安装在方向舵作动器上的光学线性位移
9、传感器和接受指令的光学接口。结果表明该光学系统具有和电气系统同样的性能。1982 年, 美军一架A-7D攻击机飞行验证了光学版本的1553 总线。该总线用于座舱远程终端、连接传感器和作动器伺服系统的远程终端以及安装在飞控计算机上的总线控制器之间的数据传输。这是第一架采用光纤技术的作战飞机。1984 年, 一架AH-lS“眼镜蛇”直升机的集中式飞控系统改装了光纤传感器, 用于测量总距控制杆和作动器油缸位置, 并试飞成功。1985年, 美国陆军应用技术实验室发起一项先进数字操纵系统计划( ADOCS ), 在一架UH -60A“黑鹰”直升机上进行了飞行验证试验。德国飞行力学学会从1987年开始了一
10、项先进技术试验飞机系统( ATAS )的飞行测试。该系统总线综合了ARINC 429光纤总线和一种环形串行光纤总线, 大气数据、惯性参数和各航空子系统通过接口与系统光纤总线相连接。1985年, 美国的NASA/DOD开始进行光纤控制系统综合(FOCSI )计划可行性研究。1990 年, 该计划相应的光传飞控系统在R18飞机上进行了验证试验。1993年9月, 采用光传控制系统的F/ A -18 飞机开始试飞。1990年, 原麦道公司开始了BFL / PBW计划。1996 年, 在一架波音757 上试飞验证了基于光传感器的扰流片控制、MIL -STD -1773光纤总线与作动器控制电子模块和扰流片
11、电机驱动装置电子模块的接口。1998 年,FBL/PBW 试飞计划中测试了利用ARINC 629光纤总线把飞行控制传感器与主飞控计算机、NASA仪器系统连接。1994 年, 美国国防高级研究计划局提出“ 先进光传飞控系统硬件”(FLASH) 计划。“ 光传副翼配平”(FLOAT)系统是FLASH计划中对设计硬件的最终验证和唯一的飞行测试系统。1996 年中期, 其系统硬件设计生产完成并通过了测试。1998 年1月26日和27日, 安装了FLOAT系统的波音MD -90飞机进行了两次同样的测试飞行并获得圆满成功。20 世纪末, 光控设备在无人机上有了长足的发展。1997 年, 美国“罗福来特”无
12、人机在第二次试飞中采用了光纤通信和控制。2000-2002年, 日本航空开发协会主管的下一代航空器研究计划开发了一种PBW/FBL操纵系统, 主要开发了光传数据总线、新型的飞控计算机以及灵巧作动器。其中灵巧作动器有电动机械作动器( EMA ) 和电动静液作动器( EHA ) 两种。当前国外对BFL的研究己进入实际应用阶段, 己经开始采用数字光传、光传数据总线等先进技术。美国F-22战斗机和后因故取消的RAH -66“科曼奇”直升机都采用了HSDB 光传数据总线技术来传输数据。上世纪 90 年代初期开始，国内部分高校和研究所开始进行光传操纵技术的研究，但迄今为止，所进行的研究基本上还处于理论研究
13、和地面验证阶段。 1995 年南京航空航天大学在国内首先成立了光传飞行控制研究室，在多方资助下取得了多项研究成果，建立了多个光/电传飞行控制系统地面半物理验证平台，通过电传与光传性能比较，验证了不同复用形式的光传系统实现的可行性和正确性。 北京航空航天大学采用电压频率转换转换技术, 提出了一种准数字光传控制系统。初步实验证明，该方案可以满足飞行操纵系统的要求，是研制开发数字式光传的必要过渡。 清华大学在国家“863”高科技计划支持下，进行了基于光纤通道的光传飞行控制系统的研究。提出了一种基于光纤网的光传飞控系统体系结构，建立了双余度 FC 仲裁环网的分布式三余度光传飞行控制计算机、给出了基于光
14、纤传输总线的分布式容错方法和余度管理方法等。 西北工业大学参照美国 FLASH 计划中的光输入伺服阀方案，设计了一种适用于工程应用的光传飞控用光输入伺服阀方案，对能量和信号点对点光传技术进行了研究。 国内相关研究所也进行了光传操纵技术工程实现方面的探索和验证。如西安飞行自动控制研究所联合各高校对多路复用光传技术及光输入伺服阀技术进行了研究，在工程化实现方面进行了探索。特别是沈阳飞机设计研究所联合南京航空航天大学及西安航空计算技术研究所建立了三余度光传飞行控制系统地面铁鸟实验台架，使光传系统在飞机上的工程应用迈出了重要一步。其它相关研究所如中国航空无线电电子技术研究所、西安航空计算技术研究所及中
15、国电子科技集团公司第 34 研究所等分别对 MIL-STD-1773 光总线技术、光传飞行控制计算机等软硬件实现技术进行了研究。 三、研究价值与创新性分析研究光传飞行控制的验证系统、光传飞行控制计算机系统、光输入作动器系统、现代自适应飞行控制律的光传实现及光传余度与故障诊断等关键技术的意义在于为我国光传飞行控制系统的工程开发与实现以及相应的地面物理验证迈出了坚实的一步。经过我对相关文献的调研，一些文献在针对光传飞行控制的验证系统、光传飞行控制计算机系统、光输入作动器系统、现代自适应飞行控制律的光传实现及光传余度与故障诊断等关键技术的研究中的创新性在于：（1）针对光传飞行控制系统的工程实现需求，提出了一种舰载机光传飞行控制地面半物理验证系统总体方案，并对其中的光传飞行控制计算机系统、光输入作动器系统、飞行器动力学计算机系统以及甲板运动计算机系统等主要组成模块的功能、实现方案进行了分析与设计。该地面半物理验证系统不仅可以验证光传飞行控制系统的性能，而且可以对舰载机起降系统进行开发与仿真验证，具有多功
