美国研究自适应飞行控制器，协助飞行员挽救严重受损或失控的飞机

自适应的变化
2015-04-29
国外国防科技文献资料快报
    [美国航空周刊2015年4月26日报道]自适应飞行控制器可以协助飞行员挽救严重受损或失控的飞机，美国空军试飞员学校（Test Pilots School，TPS）的学生利用Calspan公司的变稳Learjet 25试验机对自适应飞行控制的潜在商业开发价值进行了严格评估。“试飞员项目”目的在于验证自适应控制器在提升民用客机安全性方面的可行性。
    L1控制器将在发生机械故障、舵面战损、机上重心偏移等控制问题的情况下进行自动干预，快速重构飞控系统，以补偿飞行品质降级。L1控制器可以作为标准飞控系统的备份，提供安全、可预测、可靠及可复现的响应，以代替飞行员处理紧急事件，并进一步补偿性能降级。
    伊利诺伊大学香槟分校的研究人员经过十多年的研究，开发出不同以往的自适应控制系统——L1控制器架构。目前飞机使用的飞控系统为增益调度控制系统，飞控计算机可以根据当前的飞行条件和飞机配置选择适当的预编程增益，实现自适应控制。L1可以实现实时预估瞬态，但其仅能实现集总不确定参数估计，而不能实现对影响系统动力学特性的独立参数不确定性的估计，并在控制通道频宽内进行补偿。
    L1控制器包括三个模块：状态预估模块，快速估计机制模块和控制规律模块。快速估计单元包括状态预估器和快速估计算法，两者共同完成对飞行器动力学特性中不确定性部分的逼近。以上计算结果作为有限带宽滤波器的输入，用以解算飞控系统的控制信号输出。
    L1控制器与使用不确定参数的估计值直接作为增益的控制器不同，L1系统实现了控制环与估计环的解耦。开发团队表示，L1控制器通过控制结构中的有限带宽滤波器实现了结构的改变，避免了早期自适应控制器中经常用到的高增益响应，提高了控制器的安全性与鲁棒性，使其更加便于验证。
    TPS飞行品质专业的硕士生导师Chris Cotting表示：“我们可以提前量化飞机的瞬时稳态性能指标和鲁棒性，并为权衡系统性能与鲁棒性和自适应单元设计指南。如果仅仅采用增稳系统，飞机的操纵可以实现非常稳定但机动性差或者机动性很好但稳定性较差两种差强人意的控制效果。L1控制器能够权衡稳定性与机动性两者之间的关系。”
    Naira Hovakimyan是美国伊利诺伊大学机械科学与工程系教授，她于2004至2008年期间在美国空军资助下，在弗吉尼亚理工大学同曹成玉博士后共同提出了L1自适应控制算法，并将算法应用在飞行控制上，最终完成了飞行测试。Hovakimyan表示：“本次TPS评估L1控制器是第一次在有人驾驶飞机上进行飞行测试，是L1朝着作为飞机飞行安全系统迈出的重要一步。这是一个类似于自动驾驶仪的纯飞行控制系统，但其可以在包线保护、差异化飞行员接口等方面进行功能扩展。”她补充说：“NASA正在资助这项工作，现在我们关注的重点是民用航空飞行控制系统的革命性变革。”
    Hovakimyan表示，尽管在美国对于自适应控制的研究可以追溯到二十世纪五十年代后期的X-15项目，但L1却真正起源于波音/空军研究实验室的X-36“还原（Restore）项目”。在1996年至1999年的研究中，研究人员试图从若干仿真系统的失败案例中汲取经验，镇定不稳定、无尾翼无人机的控制。
    Hovakimyan说：“可预测性是解决问题的关键。在‘还原’项目中，当研究人员对自适应控制器进行测试时，不知道该如何调整控制器参数。因为控制器是稳定的，但其状态却是不可预测的，系统的瞬态每次都不尽相同。因此，项目所采用的自适应控制可以改善控制效果，但控制器本身的结构仍然存在缺陷。这类控制器可以在缓变的情况下实现自适应控制，但是在快速变化的工况下，存在缺陷的控制器结构不能保证系统的鲁棒性。随后的研究专注于对于快速自适应控制器的研究，实现维持系统的鲁棒性。这就是我们在结构上所取得的关键进展。”
    采用L1控制器的Rascal无人机于2006年在海军研究生院完成首飞。当NASA于2009年开始评估控制器时，L1控制器在AirSTAR动态缩放通用运输型研究飞机上再次进行了飞行试验。2011年，在荷兰代尔夫特理工大学的基于运动的西蒙娜研究模拟器上再一次完成了测试。各种版本的L1控制器被应用在海洋自动驾驶仪及工业机械领域，目前正在对其在无人机和导弹上的应用开展研究。
    学生和教职人员在爱德华兹空军基地学校的测试管理项目中开展了L1控制器的短期、实地飞行试验。工业界、学术界以及军方客户为研究提供了概念分析和所需资金，学校提供了试验飞机、测试飞行员和工程师，以及爱德华兹空域、飞行试验数据与分析资源。
    测试在2月和3月的连续两周进行，测试飞机为Calspan公司的Learjet 25D，其飞控系统采用改进的变稳模拟器（variable stability simulator，VSS）。模拟器用以改变飞机的稳定性，同时也允许其作为其他机型的飞行模拟器。L1的结构层级高于VSS，用以模拟飞机在250节（463公里/小时）、15000英尺（4752米）下爬升离场的状态，此时飞机起落架放下，襟翼打到20°。如果Learjet遇到危险的飞行状况时，飞机配有一系列的安全释放机构确保VSS脱开，交由左侧座椅上的安全飞行员进行控制。
    Cotting表示：“VSS可以按照需求来模拟较好或较差的动力学特性，L1用以恢复参考集。若设定VSS的控制效果优于L1，则L1将降级为参考模型。若设定VSS的控制效果没有L1的控制效果好，则在L1的控制下，系统的动态特性有所提升。”学生在两种测试条件下进行了超过14小时的飞行和操纵品质评估，同时测试了自适应控制器的鲁棒性。还利用收集的数据补偿了进近和直线着陆过程中的控制量输出。
    测试中还加入了特征独立故障或故障组合，包括俯仰阻尼减少、N档静态纵向稳定性的重心后移、偏航阻尼减少、副翼反效、滚转阻尼减少、以及耦合螺旋模式。在模拟升力体时，L1克服了横向和振动控制问题，同时在大迎角下复现了F-100军刀曾出现的问题，系统启动了正常的滚转控制。（中国航空工业发展研究中心 李丰羽）