[科普中国]-边界控制系统

概述

边界控制系统，又称包线限制系统，是指对飞机的一些重要状态变量的边界值包线实现限制的飞行控制系统。其目的是减轻驾驶员的工作负担，实现无忧虑操纵，并保证飞机安全和实现飞机的作战性能。通常应考虑的包线限制可分为以下几种：

（1）与失去控制相对应的限制 主要是对飞机的迎角、侧滑角和空速的限制。迎角超过最大升力迎角将会引起飞机失速和尾旋。迎角过大还将引起横侧向不稳定。对于静不稳定飞机，当最大平尾偏度引起的低头力矩不足以抵消大迎角带来的上仰力矩时，电传操纵系统便失去了静稳定的补偿作用。而侧滑角也应限制在允许的范围之内，否则也会造成过大的侧向过载。对于飞机，其空速既不能过高也不能过低。飞机速度不断提高会引起飞机机翼的弹性伺服振荡阻尼降低，从而引起飞机伺服弹性颤振，为此应将飞机的飞行速度限制在临界颤振速度之内；而飞机速度过小，将有可能造成失速。

（2）与飞机结构应力过大相对应的限制主要是对过载、滚转角速率等参数的限制。过载过大，将会造成飞机部件的应力疲劳，甚至损伤破坏。与此类似，如果滚转速度过高，将使机翼承受较大的载荷。

（3）与驾驶员耐力相关的限制 就是在定常条件下，过载的大小以及在瞬变条件下，对过关参数的限制等。

在设计边界限制系统时，应区分以下两种包线：

限制包线 允许驾驶员在应急情况下，超过该包线边界，但其后果可能使飞机发生某些永久性的变形。

极限包线 超过该包线边界将会引起飞机损失。

在边界限制控制系统设计时，应遵循以下准则：就所有的驾驶指令而言，可达到的包线必须尽可能宽，而又不超过限制包线；而就某个稳定和意义的驾驶指令而言，可达到的包线能够扩大，因此它将尽可能宽而不超过极限包线。

边界限制方案分析早期的电传操纵系统，对参数边界限制仅采用一种告警方案，即当某个参数超过设定的边界值时，系统就以声响或灯光方式提示驾驶员，由驾驶员采取措施加以限制。而现代电传操纵系统，均采用控制系统来实现对不同参数的边界限制。

利用控制系统实现边界限制的基本方案是，使用不同的方法控制飞机相应参数的时间响应历程，从而使其在给定的边界范围内。常用的技术有：使用飞机控制系统的前馈和反馈控制；使用适当的非线性控制技术及模型跟踪技术等。考虑到飞机的边界控制是飞机飞行条件的函数，因此，边界限制系统的参数应随高度、空速和外部载荷而变。

迎角边界限制系统有两种实现方法：一种方法是采用专门的闭环控制系统，对迎角进行限制；另一种方法是在通常的电传操纵系统中加入适当的迎角限制器。1