民机电传飞行控制系统体系结构研究

民机电传飞行控制系统体系结构研究

王 永

中国一航618所 陕西西安

摘要 本文研究了先进民用飞机电传飞行控制系统的体系结构，分析了A320/A340 、Boeing 777、A380的电传飞行控制系统的布局、余度结构、控制策略。在分析国外民机电传飞控系统的基础上本文还针对我国“大型飞机”给出了电传飞控系统方案。

关键词 电传、飞行控制、余度、飞控计算机、舵机

1 引 言

电传飞行控制系统是民用飞机发展的重要里程碑，它可减轻飞行员工作负担、提高乘座舒适性、优化飞机设计。空客和波音都以电传飞行控制系统来改善飞机效能及增强市场商业竞争能力，取得了巨大成功。随着我国经济的发展,民用航空工业将成为21世纪的一个新经济增长点。国务院总理温家宝在十届全国人大四次会议上宣布，中国将在“十一五”期间适时启动大型飞机研制项目。为适应日益增长的国内外市场对民用飞机的需求，应当不失时机地大力发展民用飞机电传控制技术的研究。

2 A320飞机电传飞控系统分析

2.1 概述

A320是第一架采用电传飞控系统的民航客机。她是根据协和飞机模拟电传20多年的使用经验及A300、A310数字控制器（用于扰流片）使用经验的基础上设计成功的。

2.2 A320飞机飞控体系结构

A320的电传飞行控制系统的计算机采用了7ⅹ2的结构，主要操纵面布局2台舵机，主备工作，保证因飞控系统故障而引起飞机失事的概率小于10-9/飞行小时，方向舵和水平安定面的机械操纵提供了安全操纵飞机着陆的能力。整个飞控系统采用非相似余度设计并利用了控制面的气动冗余。

七个计算机完成电传操纵：2个升降舵副翼计算机（ELAC），控制副翼和升降舵舵机，控制THS的两个电动马达；3个扰流片和升降舵计算机（SEC），控制着所有扰流片舵机，控制着第三个水平安定面（THS）的马达，SEC也作为ELAC计算机的备份；2个飞行增强计算机（FAC），提供了航向阻尼功能，完成自动配平极限值监控功能；它们均可在自己的权限内，通过相关操纵面去控制飞机运动。除此之外，配平操纵盘通过机械操纵控制水平安定面（THS），脚蹬通过机械链控制方向舵，提供了在全部电气系统发生故障时能安全操纵飞机着陆的能力，机械控制优先级高于电控优先级。所有的操纵面均为液压驱动。其电传飞行控制系统结构如图1所示。

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图1 A320飞机电传飞行控制系统结构

2.3 飞机三轴操纵 2.3.1 俯仰轴

正常情况下ELAC2控制着升降舵和THS。ELAC1作为备份,当ELAC2故障时,ELC1自动接替工作，两个ELAC都故障时，SEC1或SEC2接替工作，配平操纵盘通过机械操纵控制着水平安定面（THS），其优先级高于电控优先级，其控制系统结构如图2所示。

图2 A320飞机电传飞行控制系统纵向控制结构

2.3.2 滚转轴

ELAC1控制着副翼，ELAC2作为备份，运行正常控制律，SEC接受ELAC的命令发送给扰流片完成相应的功能，FAC完成协调转换，ELAC都故障，SEC运行直接控制律且航向阻尼功能消失，其控制系统结构如图3所示。

图3 A320飞机电传飞行控制系统横滚控制结构

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2.3.3 航向轴

方向舵操纵；脚蹬为机械操纵；飞行中，偏航阻尼和协调转弯及配平是电子控制。航向阻尼协调转弯方向舵配平由ELAC计算发给FAC，FAC1优先于FAC2，FAC2处于热备份，其控制系统结构如图4所示。

图4 A320飞机电传飞行控制系统航向控制结构

3 A340飞机电传飞控系统分析

3.1 概述

A340飞机的电传飞行控制系统是在A320飞控系统的基础上进行了进一步的综合，采用了5ⅹ2的计算机结构，舵机仍采用主备工作方式。

3.2 体系结构

5台计算机完成电传操纵，分别为3台主飞控计算机FCPC（Flight Control Primary Computer）控制所有的操作面，2台备分飞控计算机FCSC（Flight Control Secondary Computer）控制部分操作面。A340已取消了专用的FAC，在俯仰及航向仍保留机械操纵。系统的结构如图5所示

图5 A340飞机电传飞行控制系统结构

每个飞控计算机包含两个支路：指令支路和监控支路，两支路的功能不同，指令支路运行分配给该计算机的任务，监控支路确保指令支路的正确性，当计算机的两个支路的输出不一致时，该计算机被切除，剩下的计算机按照预先规定的优先级顺序投入运行。飞控计算机采用了非相似的硬件和软件：主计算机和从计算机使用非相似的处理器；指令支路和监控支路使用不同的编程语言。主计算机使用Intel 80386微处理器，其指令支路的软件用汇编语言编写，监控支路使用的编程语言为

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PL/M。从计算机使用Intel 80186微处理器，其指令支路的软件用汇编语言编写，监控支路使用的编程语言为Pascal。

飞机的三轴操纵由主、备计算机控制，正常时由P1，P3，S1协同工作完成飞机的操纵。P1提供升降舵、内侧副翼、水平安定面。P3提供外侧副翼的控制功能。S1提供配平及方向舵的控制功能。当P1出现故障时，其升降舵、内侧副翼、水平安定面的控制功能由P2接替，如果P2再出现故障，由S1接替工作，航向阻尼的功能由P3接替。P3出现故障由S1接替，S1出现故障时由S2接替。其操纵面布局及控制权限变更顺序如图6所示

图6 A340飞机操纵面布局及控制权限变更顺序

3.3飞机三轴操纵

3.3.1 俯仰轴

飞行员指令通过侧杆送给主飞行控制计算机FCPC和FCSC。飞行导引和包线计算机FMGEC（Flight Management Guidance and Envelope Computers）输出驾驶仪指令到FCPC，FCPC经过控制解算后输出操作指令到升降舵及水平安定面，当FCPC故障后，由FCSC来控制升降舵。机械链通过液压马达控制水平安定面，达到飞机失去电气控制时，仍有机械备份操纵飞机。飞机俯仰操纵的原理见图7。

图7 A340飞机电传飞行控制系统纵向控制结构

3.3.2 航向轴

同纵向通道一样，FCPC提供主要控制，FCSC作为备份。驾驶员的指令通过脚蹬传给FCPC及FCSC、同时通过机械链操纵方向舵。航向阻尼功能由FCPC提供，自动驾驶仪的航向指令由FMGEC

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提供给FCPC，FCPC控制相应的舵面完成相关功能，详见图8。

FCPC自动驾驶仪航向指行程限制单元M机械限BGFCSCFCPCGYY方向舵 M方向舵配平作动器方向舵配平 人感脚 图8 A340飞机电传飞行控制系统航向控制结构

4 B777飞机电传飞控系统分析

4.1 概述

B777是波音客机家族中，首次采用电传飞行控制的系统。B777的电传飞行控制系统的结构是在早期的7J7设计的基础上发展起来的。其电传系统具有极高的功能完整性和可靠性。

4.2 体系结构

B777电传飞行控制系统是由3х3飞行控制计算机PFC（Primary Flight Computers）和模拟式作动器控制电子设备ACE（Actuator control Electronics）通过629总线连接实现飞机的电传飞行控制。飞控系统接收驾驶员或自动驾驶发出的指令，并控制升降舵、方向舵、副翼、襟翼、缝翼和水平安定面等31个作动器，完成飞机操纵控制，其系统结构见图9。此外扰流板4和11通过机械钢缆接收驾驶员指令，完成滚转操纵，水平安定面通过连杆接收驾驶员指令，完成俯仰操纵，该功能提供了在全部电气系统发生故障时能安全操纵飞机着陆的能力。

图9 B777飞机电传飞行控制系统结构

4.3 系统原理

驾驶员的指令信号通过传感器送给ACE，ACE把这些信号转换成数字量并通过629总线送给PFC。PFC除接收驾驶员指令信号外，还通过629总线接收AIMS（飞机信息管理系统）；ADIRU（大气数据惯性参考单元）；SAARU（备份姿态大气数据参考单元）等信息。PFC根据控制律及飞行包

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线的限制来计算控制指令（纵、航向增稳及三轴的飞行包线保护），PFC以广播方式传送控制指令到629总线上，ACE接收这些指令，并转换成模拟信号馈送至舵机。

在自动驾驶仪工作方式下，PFC通过629接收自动驾驶仪AFDC（Autopilot Flight Director Computer）的信号：通过ACE送给舵机。PFC也提供回传信号到回传作动器。它发送广播回传信号到629，AFDC收到这个信号后驱动回传作动器，回传作动器驱动操纵杆（同驾驶仪命令同步）。

系统具有有三种工作模式：正常模式，备份模式和直接链模式。正常模式工作如上所述，备份模式当大气数据等信息失效时进入，在这个模式下，PFC执行重构的控制律。在直接链模式下，PFC被旁路，ACE直接响应驾驶员指令。

4.5 飞机三轴操纵

4.5.1 俯仰轴

操纵杆通过与其相连的位置传感器（6余度）、力传感器（2余度）采集操纵指令，通过俯仰通道的4个舵机（PCUs）驱动左、右升降舵（每个舵面2个舵机）以提供飞机主要的俯仰控制。

来自驾驶员指令传感器、飞行控制计算机（FCC）或自动驾驶仪计算机（AFDC） 的俯仰指令进入相应的ACE单元，并转换成模拟指令控制4个升降舵舵机，完成俯仰控制。其结构见图10。

水平安定面是单独控制的，尽管它的控制指令仍是从ACE单元来的，在这种情况下，设在控制盘上的俯仰配平开关允许驾驶员选择俯仰配平输入进系统。输出经过ACEs到达安定面配平控制模块（STCMs），这个模块通过螺旋作动器控制水平安定面。水平安定面位置传感器反馈安定面的位置到ACEs。

图10 B777飞机电传飞行控制系统纵向控制结构

4.5.2 滚转轴

控制盘通过滚转位置传感器、滚转力传感器把控制指令馈送给系统来完成控制。控制盘还被机械地连到4和11扰流板舵机，以进行直接机械滚转控制。其结构见图11。

驾驶员或系统的滚转指令先通过ACE单元输入到计算机经解算后再通过ACE送给相关舵机，机械操纵指令是直接通过ACE送给舵机的。总的来说，滚转控制通道的输入提供给以下的舵机：

左、右副翼舵机（四个）

左、右襟副翼舵机（执行副翼功能） 除4和11扰流板以外的所扰流板

除了通过操纵左和右机翼上不同的扰流板来提供滚转控制外，本通道还担负集合扰流板控制（地

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面扰流板功能以及减速功能）。速度制动选择是使用单独安装在中央控制台上的控制杆实现的，控制杆机械地连接到速度制动控制杆传感器，这些传感器直接连接到ACEs。

图11 B777飞机电传飞行控制系统滚转轴控制结构

4.5.3 航向轴

脚蹬被机械地连接到方向舵人感系统，以提供机械操纵感觉。脚蹬位置传感器把航向指令输入到ACEs并经飞控计算机处理后传输到（或直接传输到）方向舵的三个舵机。其结构见图12。

方向舵配平选择器允许机组人员通过ACE单元使用方向舵配平。方向舵配平指示通过在驾驶舱里的AIMS（Aircraft Imformation Management System）到方向舵配平指示器上显示。

图12 B777飞机电传飞行控制系统行向轴控制结构

5 A380飞机电传飞控系统分析

A380 电传飞控系统采用了双体系（dual-architecture system）结构，除控制指令信号由电信号传送（Flight-by-wire system）外；部分功率也由电信号传送（Power-by-wire system）。 其结构布局见图14。

由于机翼较长应用了ACT功能保护机翼结构。

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图13 A380飞机电传飞行控制系统结构布局

A380电传飞控系统除具备常规电传飞控系统的特性以外还有以下特点： • •

飞机主飞行操纵面由不同类型作动器驱动，有常规液压作动器、电静液作动器、电备份作动器，详见图13。

用于应急备份的直接机械连接将被直接电气连接所代替。电信号直接控制EBHA作动器。尽管没有以前客机上的直接机械链，动力结构与以前相比也有了很大的变化，但A380仍提供了相当程度的非相似余度，保证飞行的苛刻要求都已达到。增加了滚转操纵面的数量。飞控计算的结构类似于A330及A340系列的计算机。

6 波音空客电传飞控系统计算机体系结构分析

在民机电传飞控系统领域目前有空客、波音处于领头羊地位。他们在飞控计算机体系结构上都有自己的特点。图15列出了波音及空客电传飞控的顶层结构。

左侧所示为波音原理的简图。系统中包括3台主飞行计算机（PFC），每台计算机中又包括3条通路（Lane），这3条通路的硬件非相似但软件相同。每条通路在运行周期中具有不同的功能（指令、监控、备份），而且这些功能在上电后是循环确定的。表决技术被用来检测各通路间的差异或不一致，而且，对于不同类型的数据，比较技术有所变化。PFC与4个作动器控制电子（ACE）单元之间的通讯通过多路A629飞行控制数据总线来实现。ACE单元直接驱动飞行控制作动器。一个独立的飞控直流电系统为飞控系统供电。

空客的方法如图14右侧所示。5台主计算机用于：3台主飞行控制计算机（FCPCs）和两台辅飞行控制计算机（FCSCs）。每台计算机包括命令和监控两部分，分别加载了不同的软件。主/副计算机具有不同的体系结构，非相似的硬件和非相似的软件。FCSC输出到副翼、升降舵和方向舵的指令仅做备份使用。电源与信号通路之间是隔离的。

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图14 波音、空客电传飞控系统体系结构比较

7 我国大型飞机电传飞控系统方案设想

电传飞控系统的设计，应充分考虑系统的先进性、安全性、经济性与可扩展能力。为了保证飞机的高派遣率，在选用多余度全时、全权数字电传系统作为飞机三轴主操纵系统的同时，三轴电传控制系统具有电气直接链功能，并且对关键的操作链仍设置了最低限度的传统机械传动系统作为备份，如水平安定面电/机械复合操纵和最外侧扰流片的机械操纵，以保证在极小概率的多余度电传系统的功能丧失后，飞机仍可返航并安全着陆。其原理框图如图15所示。

电直接链 驾驶员操纵装置AD CPUSA全部飞机操纵面电传飞行控制系统计算机部分飞机操纵面机械操纵机构

图15 电传飞控系统构型示意图

电传飞行控制系统基本组成及系统连接关系图16所示。

每个计算机均为两通道，即控制通道与监控通道俯仰杆位移 传感器两通道比较监控正确才有指令输出升降舵舵机-L1(电液)升降舵舵机-L2(电液)水平安定面舵机1-3方向舵舵机1(电液)尾翼升降舵-L横滚杆位移 传感器 脚蹬位移 传感器FCC-P1FCC-P2FCC-P3水平安定面方向舵舵机2(电液)方向舵舵机3(电液)升降舵舵机-R1(电液)方向舵俯仰角速率 传感器升降舵-R升降舵舵机-R2(电液)滚转角速率 传感器FCC-S1副翼舵机-L1(电液)左侧机翼副翼-LFCC-S2偏航角速率 传感器副翼舵机-L2(电液)缝翼舵机-L1缝翼-L1缝翼-L2扰流片-L1 攻角 传感器缝翼舵机-L2扰流片舵机-L1法向加速度 传感器侧向加速度 传感器动静压传感器专用控制 装置专用显示 装置不同计算机分别控制不同种类和数量的舵机具体连接关系见图4-8扰流片舵机-L4襟翼舵机-L1襟翼舵机-L2扰流片-L4襟翼-L1襟翼-L2右侧机翼 图16 电传飞控系统连接关系图

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飞控计算机分系统采用5*2计算机体系结构，其中，P1、P2、P3为主飞控计算机，S1、S2为备飞控计算机，主计算机3×2余度，备计算机2×2余度。每台计算机均由指令通道和监控通道构成，组成一个自监控计算机对。

作动器的配置如下：

升降舵舵机为4个（每侧2个，主备工作）；每个舵机均为电气两余度；水平安定面舵机为三个，主/备/备方式工作；副翼舵机为每侧两个，主备工作；每个舵机为电气两余度；方向舵由三个无余独电液舵机以主/备/备方式控制。三个舵机分别由三台主飞控计算机控制；扰流片各由一个无余度电液舵机驱动。

缝翼和襟翼舵机与舵面一一对应，分成左右对称的两组（每组两片襟翼、两片缝翼）分别有两台备飞控计算机控制。

参考文献

[1] B777培训手册 [2] A320培训手册

[3] Ian Moir ,Allan Seabridge;Civil Avionics Systems;Professional Engineering Publishing Limited; [4] Roger W.Pratt； Flight Control Systems;The American Institute of Aeronautics and Astronautics.

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