CN115783247B - 一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，包括：通过沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器以及机身质心位置布置的一套角速度传感器，综合测量飞机前舱、中部、后舱三个位置在飞行中的法向加速度信号的变化以及三轴角速度信号的变化；经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，从而控制相应舵面来减小由飞机弹性模态附加状态所引起的法向过载增量。本发明实施例提供的技术方案，解决了针对大型客机，采用现有控制方式难以抑制阵风扰动对乘客的乘坐品质带来较大影响的问题。

Description

一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法

技术领域

本发明涉及但不限于飞行控制技术领域，尤指一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法。

背景技术

大型客机需要经常在复杂气象条件下长时间、远距离运送旅客，又由于为减轻重量、节省燃油，现代大型客机的复合材料使用率越来越高，这导致其在阵风扰动下产生的变形较大。

基于复合材料的使用，而导致大型客机在阵风扰动下产生较大变形的现状，再综合飞机高度在阵风扰动下忽上忽下的长周期运动变化，采用常规控制方法难以抑制其对乘客的乘坐品质的影响。

发明内容

本发明的目的：为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，以解决针对大型客机，采用现有控制方式难以抑制阵风扰动对乘客的乘坐品质带来较大影响的问题。

本发明的技术方案：本发明实施例提供一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，1.一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，其特征在于，所述主动控制方法所应用的飞机的纵轴上布置有三套法向加速度传感器，分别布设于飞机的前舱部位、中心部位和后舱部位，所述飞机的机身质心位置布设有角速度传感器；所述主动控制方法包括：

通过沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器以及机身质心位置布置的一套角速度传感器，综合测量飞机前舱、中部、后舱三个位置在飞行中的法向加速度信号的变化以及三轴角速度信号的变化；经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，从而控制相应舵面来减小由飞机弹性模态附加状态所引起的法向过载增量。

可选地，如上所述的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法中，所述经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，包括：

通过关键频率信号解析经综合滤波处理后分离出的不同频率信息，以获得飞机不同部位在飞行员操纵和阵风扰动综合作用下的基本运动状态和弹性模态附加运动状态，采用扩展卡尔曼滤波器分别预测刚性速度和各位置处弹性模态附加状态的法向加速度变化量，并通过增益调度调整分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令。

可选地，如上所述的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法中，包括：

步骤1，采用沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器分别测量前舱加速度、质心加速度和后舱加速度，并对所述前舱加速度、质心加速度和后舱加速度进行滤波处理，以分离出不同频率信息；

步骤2，采用机身质心处的角速度传感器检测的三轴角速度信号，并三轴角速度信号进行综合滤波处理，以分离出不同频率信息；

步骤3，对飞机各位置的法向加速度信号和三轴角速度信号进行综合滤波器处理分离出的不同频率信息，并通过关键频率信号解析不同频率信息解算出前舱舒适性指标和后舱舒适性指标；

步骤4，采用扩展卡尔曼滤波器分别预测刚性速度和各位置处弹性模态附加状态的法向加速度变化量，并增益调度调整处理分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，从而驱动相应舵面产生舵面偏转量，使得控制升力变化以补偿紊流扰动引起的升力变化。

可选地，如上所述的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法中，所述步骤1之前还包括：

步骤A，对飞机气动力进行建模，包括：对飞机弹性模态产生气动力进行建模以及对阵风产生的气动力进行建模，从而形成配置于飞控中的弹性模态气动力模型f^ξ和阵风气动力模型f^g为：

其中，f^ξ为飞机弹性模态产生的气动力，ρ为大气密度，V为飞行速度，b为参考半弦长，ξ为弹性模态坐标，D为拟合多项式系数矩阵，x_a为气动力增广状态向量，f^g(t)为时域形式的阵风气动力，F[*]表示Fourier变换，f^g(ω)为频域形式的阵风气动力，A^g(k)为阵风气动力影响系数，F[w_g(t)]为离散阵风速度的频域形式。

可选地，如上所述的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法中，所述步骤1具体包括：

采用沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器，实时测量飞机各部位的法向加速度，并采用低通滤波器进行低通滤波处理后形成各位置处的法向加速度信号为：

a_fz＝a_f×Gs_f(filter)

a_gz＝a_g×Gs_g(filter)；

a_bz＝a_b×Gs_b(filter)

其中，a_fz为经过低通滤波后的前舱加速度，a_gz为经过低通滤波后的质心加速度，a_bz为经过低通滤波后的后舱加速度，a_f为传感器测量得到的前舱加速度，a_g为传感器测量得到的质心加速度，a_b为传感器测量得到的后舱加速度，Gs_f(filter)、Gs_b(filter)为低通滤波器的传递函数；Gs_g(filter)为质心位置处法向过载关键频率信号解析滤波器的传递函数。

可选地，如上所述的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法中，所述步骤2具体包括：

步骤21，采用机身质心处的角速度传感器实时测量飞机的三轴角速度信号，并采用低通滤波器进行低通滤波处理后形成三轴角速度信号为：

p_f＝p×G_lp(filter)

q_f＝q×G_lq(filter)；

r_f＝r×G_lr(filter)

其中，p、q、r为质心处角速度传感器测得的飞机三轴角速度(分别为滚转、俯仰和偏航)，p_f、q_f、r_f为滤波后的飞机三轴角速度，G_lp(filter)、G_lq(filter)、G_lr(filter)为质心位置处三轴角速率关键频率信号解析滤波器的传递函数；

步骤22，采用高通滤波器对低通滤波处理后生成的三轴角速度信号进行高通滤波处理后，得到两轴角速度信号为：

其中，为通过高通滤波构造的飞机滚转和俯仰角加速度，G_hp(filter)、G_hq(filter)为高通滤波器的传递函数。

可选地，如上所述的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法中，所述步骤3包括：

步骤31，采用步骤1和步骤2中综合滤波处理后的信号，解算出用于表征前舱舒适性指标的前舱附加法向过载，并通过对前舱舒适性指标Δa_fz近似值的解算，解析出前舱的弹性模态附加状态的法向加速度变化量：

步骤32，采用步骤1和步骤2中综合滤波处理后的信号，解算出用于表征后舱舒适性指标的后舱附加法向过载，并通过对后舱舒适性指标Δa_bz近似值的解算，解析出后舱的弹性模态附加状态的法向加速度变化量：

其中，p_f、q_f、r_f为低通滤波后飞机三轴角速度，x_f、y_f、z_f分别为前舱法向加速度传感器安装位置到质心的距离，为高通滤波后的飞机滚转和俯仰角加速度，a_fz为经过滤波后的前舱法向加速度，a_gz为经过滤波后的质心法向加速度；x_b、y_b、z_b分别为后舱法向加速度传感器安装位置到质心的距离，a_bz为经过滤波后的后舱法向加速度。

可选地，如上所述的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法中，所述步骤4包括：

步骤41，根据步骤31中解算得到的前舱舒适性指标Δa_fz，通过扩展卡尔曼滤波和增益调度调整处理后，解算副翼同向附加指令，将经过限幅环节后的副翼同向附加指令叠加到常规电传控制律解算出的副翼同向指令上；

步骤42，根据步骤42中解算得到的副翼同向附加指令，通过比例缩放和单边限幅处理后，解算出扰流板同向附加指令，扰流板同向附加指令叠加在常规电传控制律解算出的扰流板同向指令之上；

步骤43，根据步骤32中解算得到的后舱舒适性指标Δa_bz，通过扩展卡尔曼滤波和增益调度调整处理后，并与通过比例缩放的副翼同向附加指令叠加生成升降舵同向附加指令，升降舵同向附加指令经过限幅环节后叠加在常规电传控制律解算的升降舵同向指令之上，得到左、右升降舵指令。

本发明的有益效果：本发明实施例提供一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，通过沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器以及机身质心位置布置的一套角速度传感器，综合测量飞机前舱、中部、后舱三个位置在飞行中的法向加速度信号的变化以及三轴角速度信号的变化；经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，从而控制相应舵面来减小由飞机弹性模态附加状态所引起的法向过载增量。该技术方案具有如下优点：

1、采用实时多传感器数据融合技术，通过沿机身纵轴布置三套法向加速度传感器以及机身质心附近的一套角速度传感器综合感受飞机前舱、中部、后舱三个位置在飞行中的法向加速度信号变化和三轴角速度变化，经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，以控制相应舵面来减小飞机弹性模态引起的法向过载增量，从而改善乘坐品质；

2、滤波分离处理结合关键频率信号的，分别采用六套组合滤波陷波器通过互补滤波实现前舱、中部和后舱法向过载信号以及三轴角速率信号的噪声滤除和关键频率信号抽取；

3、采取保守的信号安全保障逻辑：在信号故障失效或受干扰出现异常输出的情况下，确保飞机正常飞行不受其影响，具体表现为：

a)某一传感器信号连续n1秒超过一定门限，设置其为失效；

b)某一传感器信号在空中状态下连续n2秒小于某一门限，设置其为失效。

c)任意传感器失效切断该功能，即不仅将该信号置为0，通过线性淡化将4、5、6步解算的指令调整为0。

4、前舱舒适性指标近似值解算，该指标初始化为0，通过综合滤波1的前舱法向加速度a_fz和三轴角速度p、q、r及中心法向加速度合成后的前舱舒适性指标计算如下：

5、后舱舒适性指标近似值解算，该指标初始化为0，通过综合滤波1的后舱法向加速度和三轴角速度及中心法向加速度合成后的后舱舒适性指标计算如下：

6、副翼同向偏转附加指令的解算，机头和机身及机尾同向运动，则指令输出为0；若机头和机身机尾反向运动，控制副翼同向小幅度快速偏转来减小或增大局部升力；经过限幅环节叠加在常规电传控制律解算的副翼同向指令之上。

7、扰流板附加指令的解算，扰流板指令在副翼同向指令达到上偏权限时开始按升力舵效比例解算指令来减小局部升力；经过限幅环节叠加在常规电传控制律解算的扰流板同向指令之上；

8、升降舵控制附加指令的解算，通过和副翼及扰流板俯仰力矩系数相比计算的增益相乘，用于平衡部分副翼和扰流板偏度指令带来的附加俯仰力矩，经过限幅环节叠加在常规电传控制律解算的升降舵指令之上；

9、针对纵向舒适性指标的优化方法，通过简化的纵向舒适性指标C_z和C*指标进行分频段和时段的加权综合，通过频域和时域两个维度的多目标优化进行离线设计最优的参数，装订到飞控软件中；

10、该技术方案所需硬件资源为前、中、后三个法向过载传感器，以及三轴角速率陀螺及左右副翼作动器、左右扰流板左动器、左右升降舵作动器，只比常规电传控制系统只多前舱和后舱两个法向加速度传感器，其结构相对简单、可靠性高、易于工程实现，用于改善大型客机长时间纵向乘坐品质。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1所示，为本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法所应用飞机中传感器的布置示意图；

图2为本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法所应用飞机的系统硬件组成框图；

图3为本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法的执行原理示意图；

图4为本发明实施案例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法的原理示意图；

图5为采用图4所示实施案例的对民用飞机实施改善纵向乘坐品质的主动控制方法的仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

上述背景技术中已经说明，基于复合材料的使用范围的广泛性，导致大型客机在阵风扰动下产生较大变形的现状，再综合飞机高度在阵风扰动下忽上忽下的长周期运动变化，采用常规控制方法难以抑制其对乘客的乘坐品质的影响。

针对上述问题，本发明实施例提供一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，用于改善乘客在长时间的乘坐舒适性。

采用本发明实施例提供的主动控制方法来改善大型客机的乘坐舒适性是一项关键技术，Boeing777/787和Airbus340/380系列均应用相应主动控制技术改善旅客的乘坐品质，获得很好的收益。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

本发明实施例提供一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，如图1所示，为本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法所应用飞机中传感器的布置示意图。如图1所示，所应用的飞机的纵轴上布置有三套法向加速度传感器，分别布设于飞机的前舱部位、中心部位和后舱部位，具体为前舱加速度计、中心加速度计和后舱加速度计，三套法向加速度传感器分别感受机头、机身和机尾位置处法向过载；飞机的机身质心位置布设有角速度传感器，例如为角速度陀螺组。

本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，采用沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器测量量飞机前舱、中部、后舱三个位置在飞行中的法向加速度信号的变化，再综合机身质心处的角速度传感器所检测到的三轴角速度信号的变化；经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，从而控制相应舵面来减小由飞机弹性模态附加状态所引起的法向过载增量。

本发明实施例中，上述经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令的具体方式为：

通过关键频率信号解析经滤波器分离出的不同频率信息，来获得飞机不同部位在飞行员操纵和阵风扰动综合作用下的基本运动状态和弹性模态附加运动状态，再采用扩展卡尔曼滤波器分别预测刚性速度和各位置处弹性模态附加状态的法向加速度变化量，并且通过增益调度调整分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令及升降舵同向附加指令；从而驱动相应舵面产生合适的舵面偏转量，使得控制升力变化刚好补偿紊流扰动引起的升力变化对飞机前后舱乘坐品质的降低。

图2为本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法所应用飞机的系统硬件组成框图；图3为本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法的执行原理示意图。

本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法具体包括如下步骤：

步骤1，采用沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器分别测量前舱加速度、质心加速度和后舱加速度，并对所述前舱加速度、质心加速度和后舱加速度进行滤波处理，以分离出不同频率信息；

步骤2，采用机身质心处的角速度传感器检测的三轴角速度信号，并三轴角速度信号进行综合滤波处理，以分离出不同频率信息；

步骤3，对飞机各位置的法向加速度信号和三轴角速度信号进行综合滤波器处理分离出的不同频率信息，并通过关键频率信号解析不同频率信息解算出前舱舒适性指标和后舱舒适性指标；

步骤4，采用扩展卡尔曼滤波器分别预测刚性速度和各位置处弹性模态附加状态的法向加速度变化量，并增益调度调整处理分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，从而驱动相应舵面产生舵面偏转量，使得控制升力变化以补偿紊流扰动引起的升力变化。

本发明实施例的步骤1之前，还包括：

步骤A，对飞机气动力进行建模，包括：对飞机弹性模态产生气动力进行建模以及对阵风产生的气动力进行建模，从而形成配置于飞控中的弹性模态气动力模型f^ξ和阵风气动力模型f^g。

以下对本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法的执行步骤进行详细说明。该用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法包括如下步骤：

步骤1，对飞机气动力进行建模，包括：对飞机弹性模态产生气动力进行建模以及对阵风产生的气动力进行建模，从而形成配置于飞控中的弹性模态气动力模型f^ξ和阵风气动力模型f^g为：

上述式(1)和式(2)中，f^ξ为飞机弹性模态产生的气动力，ρ为大气密度，V为飞行速度，b为参考半弦长，ξ为弹性模态坐标，D为拟合多项式系数矩阵，x_a为气动力增广状态向量，f^g(t)为时域形式的阵风气动力，F[*]表示Fourier变换，f^g(ω)为频域形式的阵风气动力，A^g(k)为阵风气动力影响系数，F[w_g(t)]为离散阵风速度的频域形式。

步骤2，采用多传感器信息融合技术，采用沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器，实时测量飞机各部位的法向加速度，并采用低通滤波器进行低通滤波处理后形成各位置处的法向加速度信号为：

式(3)中，a_fz为经过低通滤波后的前舱加速度，a_gz为经过低通滤波后的质心加速度，a_bz为经过低通滤波后的后舱加速度，a_f为传感器测量得到的前舱加速度，a_g为传感器测量得到的质心加速度，a_b为传感器测量得到的后舱加速度，Gs_f(filter)、Gs_b(filter)为低通滤波器的传递函数；Gs_g(filter)为质心位置处法向过载关键频率信号解析滤波器的传递函数。

步骤3，获取飞机机身质心处的角速度信号，并进行滤波处理；具体为：采用机身质心处的角速度传感器实时测量飞机的三轴角速度信号，并采用低通滤波器进行低通滤波处理后形成三轴角速度信号为：

式(4)中，p、q、r为质心处角速度传感器测得的飞机三轴角速度(分别为滚转、俯仰和偏航)，p_f、q_f、r_f为滤波后的飞机三轴角速度，G_lp(filter)、G_lq(filter)、G_lr(filter)为质心位置处三轴角速率关键频率信号解析滤波器的传递函数

步骤4，采用高通滤波器对低通滤波处理后生成的三轴角速度信号进行高通滤波处理后，得到两轴角速度信号为：

其中，为通过高通滤波构造的飞机滚转和俯仰角加速度，G_hp(filter)、G_hq(filter)为高通滤波器的传递函数。

步骤5a，采用上述步骤2到步骤4中综合滤波处理后的信号，通过式(6)解算出用于表征前舱舒适性指标的前舱附加法向过载，根据计算的结果，得到前舱舒适性指标Δa_fz近似值的解算，解析出前舱的弹性模态附加状态的法向加速度变化量：

其中，p_f、q_f、r_f为低通滤波后飞机三轴角速度，x_f、y_f、z_f分别为前舱法向加速度传感器安装位置到质心的距离，为高通滤波后的飞机滚转和俯仰角加速度，a_fz为经过滤波后的前舱法向加速度，a_gz为经过滤波后的质心法向加速度；

步骤5b，采用上述步骤2到步骤4中综合滤波处理后的信号，通过式(7)解算出用于表征后舱舒适性指标的后舱附加法向过载，根据计算的结果，得到后舱舒适性指标Δa_bz近似值的解算，解析出后舱的弹性模态附加状态的法向加速度变化量：

其中，x_b、y_b、z_b分别为后舱法向加速度传感器安装位置到质心的距离，a_bz为经过滤波后的后舱法向加速度。

步骤6a，根据步骤5a中解算得到的前舱舒适性指标Δa_fz，通过扩展卡尔曼滤波和增益调度调整处理后，解算副翼同向附加指令，将经过限幅环节后的副翼同向附加指令叠加到常规电传控制律解算出的副翼同向指令上，从而控制副翼同向小幅度快速偏转来减小或增大局部升力；

步骤6b，根据步骤5b中解算得到的副翼同向附加指令，通过比例缩放和单边限幅处理后，解算出扰流板同向附加指令，扰流板同向附加指令叠加在常规电传控制律解算出的扰流板同向指令之上，从而控制扰流板同向偏转来减小局部升力。

步骤7，根据步骤5b中解算得到的后舱舒适性指标Δa_bz，通过扩展卡尔曼滤波和增益调度调整处理后，并与通过比例缩放的副翼同向附加指令叠加生成升降舵同向附加指令，升降舵同向附加指令经过限幅环节后叠加在常规电传控制律解算的升降舵同向指令之上，得到左、右升降舵指令。

该步骤7中解算出的用于平衡由步骤6a和步骤6b得到的副翼同向指令和扰流板同向指令所带来的附加俯仰力矩，升降舵同向附加指令经过限幅环节后叠加在常规电传控制律解算的升降舵同向指令之上，得到左、右升降舵指令。

本发明实施例提供的上述技术方案、针对纵向舒适性指标的优化方法，通过简化的纵向舒适性指标(步骤5a和步骤5b的近似值)，以及C*指标(纵向飞行品质评价准则)进行分频段和时段的加权综合，通过频域和时域两个维度的多目标优化进行离线设计，求解最优的控制参数；

本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法的工作原理是：

大型客机长时间在大气层中飞行受持续不断随机变化的大气扰动的时候飞机刚性和弹性运动造成乘客的乘坐舒适性下降。采用本发明实施例提供的技术方案，减小飞机受阵风紊流影响的原理是通过结构有限元建模获得飞机弹性模型和经过经典的刚体力学运动方程进行综合，经过实时测量的各部位飞机加速度和三轴角速率及角加速度的滤波，通过下式分别解算由于刚性转动引起的前舱和后舱附加法向过载：

上式中，p_f、q_f、r_f分别为飞机绕体轴的滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度，p_f、q_f分别是飞机绕体轴的滚转角加速度、俯仰角加速度。

最后通过负反馈原理，根据各个舵面不同状态的升力系数分别解算副翼同向控制附加指令和扰流板同向偏度附加指令驱动副翼和扰流板的快速同向偏转改变机翼升力来达到减小由于弹性模态引起的局部过载变化，从而改善飞机的纵向乘坐品质。

本发明实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，通过沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器以及机身质心位置布置的一套角速度传感器，综合测量飞机前舱、中部、后舱三个位置在飞行中的法向加速度信号的变化以及三轴角速度信号的变化；经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，从而控制相应舵面来减小由飞机弹性模态附加状态所引起的法向过载增量。该技术方案具有如下优点：

1、采用实时多传感器数据融合技术，通过沿机身纵轴布置三套法向加速度传感器以及机身质心附近的一套角速度传感器综合感受飞机前舱、中部、后舱三个位置在飞行中的法向加速度信号变化和三轴角速度变化，经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，以控制相应舵面来减小飞机弹性模态引起的法向过载增量，从而改善乘坐品质；

2、滤波分离处理结合关键频率信号的，分别采用六套组合滤波陷波器通过互补滤波实现前舱、中部和后舱法向过载信号以及三轴角速率信号的噪声滤除和关键频率信号抽取；

3、采取保守的信号安全保障逻辑：在信号故障失效或受干扰出现异常输出的情况下，确保飞机正常飞行不受其影响，具体表现为：

a)某一传感器信号连续n1秒超过一定门限，设置其为失效；

b)某一传感器信号在空中状态下连续n2秒小于某一门限，设置其为失效。

c)任意传感器失效切断该功能，即不仅将该信号置为0，通过线性淡化将4、5、6步解算的指令调整为0。

4、前舱舒适性指标近似值解算，该指标初始化为0，通过综合滤波1的前舱法向加速度a_fz和三轴角速度p、q、r及中心法向加速度合成后的前舱舒适性指标计算如下：

5、后舱舒适性指标近似值解算，该指标初始化为0，通过综合滤波1的后舱法向加速度和三轴角速度及中心法向加速度合成后的后舱舒适性指标计算如下：

6、副翼同向偏转附加指令的解算，机头和机身及机尾同向运动，则指令输出为0；若机头和机身机尾反向运动，控制副翼同向小幅度快速偏转来减小或增大局部升力；经过限幅环节叠加在常规电传控制律解算的副翼同向指令之上。

7、扰流板附加指令的解算，扰流板指令在副翼同向指令达到上偏权限时开始按升力舵效比例解算指令来减小局部升力；经过限幅环节叠加在常规电传控制律解算的扰流板同向指令之上；

8、升降舵控制附加指令的解算，通过和副翼及扰流板俯仰力矩系数相比计算的增益相乘，用于平衡部分副翼和扰流板偏度指令带来的附加俯仰力矩，经过限幅环节叠加在常规电传控制律解算的升降舵指令之上；

9、针对纵向舒适性指标的优化方法，通过简化的纵向舒适性指标C_z和C*指标进行分频段和时段的加权综合，通过频域和时域两个维度的多目标优化进行离线设计最优的参数，装订到飞控软件中；

10、该技术方案所需硬件资源为前、中、后三个法向过载传感器，以及三轴角速率陀螺及左右副翼作动器、左右扰流板左动器、左右升降舵作动器，只比常规电传控制系统只多前舱和后舱两个法向加速度传感器，其结构相对简单。

以下通过一个实施案例对本发明上述实施例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法的实施方式进行示意性说明。

图4为本发明实施案例提供的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法的原理示意图。图5为采用图4所示实施案例的对民用飞机实施改善纵向乘坐品质的主动控制方法的仿真结果示意图。

某民机采用图4所示系统在尺度120m范围的离散阵风尺度下的法向过载减缓效果如图5所示，根据仿真对比可知垂直突风的法向过载改善效果大于30％。该实施案例具体包括如下步骤：

第1步、建模采用A0、A1、A2均为33×33的方阵,A0如下所示：

第2步、式(3)的法向过载滤波传递函数分别采用如下形式：

第3步、式(4)的三轴角速率低通滤波传递函数分别采用如下形式：

式(5)的滚转角速率和俯仰角速率的高通滤波传递函数分别采用如下形式：

第4步、式(6)的前向舱法向加速度传感器安装位置在质心为原点的机体坐标系位置为:xf＝25.1m,yf＝0m,zf＝0.39m；

第5步、式(7)的前向舱法向加速度传感器安装位置在质心为原点的机体坐标系位置为:xf＝-23.1m,yf＝0m,zf＝0.32m；

第6步、用于形成副翼同向附加指令的根据表速线性插值的增益为:

第7步、由副翼同向指令形成扰流板附件指令的缩放系数为2；

第8步、用于形成升降舵同向附加指令的根据表速线性插值的增益为:

副翼附加指令和升降舵附加指令叠加的权重系数为0.5；

第9步、针对前舱舒适性指标和后舱舒适性指标的频域段加权综合优化，获得的第6、7步扩展卡尔曼滤波器的最优参数分别为0.5和0.8；

在不同离散阵风影响下控制减缓效果参见下表:

表1各控制方案对离散阵风的减缓效果

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，其特征在于，所述主动控制方法所应用的飞机的纵轴上布置有三套法向加速度传感器，分别布设于飞机的前舱部位、中心部位和后舱部位，所述飞机的机身质心位置布设有角速度传感器；所述主动控制方法包括：

通过沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器以及机身质心位置布置的一套角速度传感器，综合测量飞机前舱、中部、后舱三个位置在飞行中的法向加速度信号的变化以及三轴角速度信号的变化；经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，从而控制相应舵面来减小由飞机弹性模态附加状态所引起的法向过载增量；

所述用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，包括：

步骤1，采用沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器分别测量前舱加速度、质心加速度和后舱加速度，并对所述前舱加速度、质心加速度和后舱加速度进行滤波处理，以分离出不同频率信息；

步骤2，采用机身质心处的角速度传感器检测的三轴角速度信号，并三轴角速度信号进行综合滤波处理，以分离出不同频率信息；

步骤3，对飞机各位置的法向加速度信号和三轴角速度信号进行综合滤波器处理分离出的不同频率信息，并通过关键频率信号解析不同频率信息解算出前舱舒适性指标和后舱舒适性指标；

步骤4，采用扩展卡尔曼滤波器分别预测刚性速度和各位置处弹性模态附加状态的法向加速度变化量，并增益调度调整处理分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，从而驱动相应舵面产生舵面偏转量，使得控制升力变化以补偿紊流扰动引起的升力变化；

所述步骤1之前还包括：

步骤A，对飞机气动力进行建模，包括：对飞机弹性模态产生气动力进行建模以及对阵风产生的气动力进行建模，从而形成配置于飞控中的弹性模态气动力模型f^ξ和阵风气动力模型f^g为：

其中，f^ξ为飞机弹性模态产生的气动力，ρ为大气密度，V为飞行速度，b为参考半弦长，ξ为弹性模态坐标，D为拟合多项式系数矩阵，x_a为气动力增广状态向量，f^g(t)为时域形式的阵风气动力，F[*]表示Fourier变换，f^g(ω)为频域形式的阵风气动力，A^g(k)为阵风气动力影响系数，F[w_g(t)]为离散阵风速度的频域形式；

所述步骤1具体包括：

采用沿机身纵轴布置的三套法向加速度传感器，实时测量飞机各部位的法向加速度，并采用低通滤波器进行低通滤波处理后形成各位置处的法向加速度信号为：

a_fz＝a_f×Gs_f(filter)

a_gz＝a_g×Gs_g(filter)；

a_bz＝a_b×Gs_b(filter)

其中，a_fz为经过低通滤波后的前舱加速度，a_gz为经过低通滤波后的质心加速度，a_bz为经过低通滤波后的后舱加速度，a_f为传感器测量得到的前舱加速度，a_g为传感器测量得到的质心加速度，a_b为传感器测量得到的后舱加速度，Gs_f(filter)、Gs_b(filter)为低通滤波器的传递函数；Gs_g(filter)为质心位置处法向过载关键频率信号解析滤波器的传递函数；

所述步骤2具体包括：

步骤21，采用机身质心处的角速度传感器实时测量飞机的三轴角速度信号，并采用低通滤波器进行低通滤波处理后形成三轴角速度信号为：

p_f＝p×G_lp(filter)

q_f＝q×G_lq(filter)；

r_f＝r×G_lr(filter)

其中，p、q、r为质心处角速度传感器测得的飞机三轴角速度(分别为滚转、俯仰和偏航)，p_f、q_f、r_f为滤波后的飞机三轴角速度，G_lp(filter)、G_lq(filter)、G_lr(filter)为质心位置处三轴角速率关键频率信号解析滤波器的传递函数；

步骤22，采用高通滤波器对低通滤波处理后生成的三轴角速度信号进行高通滤波处理后，得到两轴角速度信号为：

其中，为通过高通滤波构造的飞机滚转和俯仰角加速度，G_hp(filter)、G_hq(filter)为高通滤波器的传递函数；

所述步骤3包括：

步骤31，采用步骤1和步骤2中综合滤波处理后的信号，解算出用于表征前舱舒适性指标的前舱附加法向过载，并通过对前舱舒适性指标Δa_fz近似值的解算，解析出前舱的弹性模态附加状态的法向加速度变化量：

步骤32，采用步骤1和步骤2中综合滤波处理后的信号，解算出用于表征后舱舒适性指标的后舱附加法向过载，并通过对后舱舒适性指标Δa_bz近似值的解算，解析出后舱的弹性模态附加状态的法向加速度变化量：

其中，p_f、q_f、r_f为低通滤波后飞机三轴角速度，x_f、y_f、z_f分别为前舱法向加速度传感器安装位置到质心的距离，为高通滤波后的飞机滚转和俯仰角加速度，a_fz为经过滤波后的前舱法向加速度，a_gz为经过滤波后的质心法向加速度；x_b、y_b、z_b分别为后舱法向加速度传感器安装位置到质心的距离，a_bz为经过滤波后的后舱法向加速度。

2.根据权利要求1所述的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，其特征在于，所述经过综合滤波和舒适性指标解算，分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令，包括：

通过关键频率信号解析经综合滤波处理后分离出的不同频率信息，以获得飞机不同部位在飞行员操纵和阵风扰动综合作用下的基本运动状态和弹性模态附加运动状态，采用扩展卡尔曼滤波器分别预测刚性速度和各位置处弹性模态附加状态的法向加速度变化量，并通过增益调度调整分别形成副翼同向附加指令、扰流板同向附加指令和升降舵同向附加指令。

3.根据权利要求1所述的用于改善纵向乘坐品质的主动控制方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤41，根据步骤31中解算得到的前舱舒适性指标Δa_fz，通过扩展卡尔曼滤波和增益调度调整处理后，解算副翼同向附加指令，将经过限幅环节后的副翼同向附加指令叠加到常规电传控制律解算出的副翼同向指令上；

步骤42，根据步骤42中解算得到的副翼同向附加指令，通过比例缩放和单边限幅处理后，解算出扰流板同向附加指令，扰流板同向附加指令叠加在常规电传控制律解算出的扰流板同向指令之上；

步骤43，根据步骤32中解算得到的后舱舒适性指标Δa_bz，通过扩展卡尔曼滤波和增益调度调整处理后，并与通过比例缩放的副翼同向附加指令叠加生成升降舵同向附加指令，升降舵同向附加指令经过限幅环节后叠加在常规电传控制律解算的升降舵同向指令之上，得到左、右升降舵指令。