具体实施方式

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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。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

上述背景技术中已经说明，现有传统民用客机的高度改变控制方式中，存在两方面的问题，一者是飞行过程飞机状态不稳定的问题，二者是出现飞机为了加速而低头或者为了减速而抬头现象的问题。

如图1所示，为传统民机飞行高度层改变控制方式的原理图，图1中示意出民用客机仅接通自动油门进行速度边界保护的工作原理。传统控制方式中，将速度控制与高度控制分开，通过两个不同的通道分别控制，这种方式带来的缺点就是发动机能量管理简单，一般都是开环给定最大或者最小油门，另外会出现非期望的响应问题，导致飞机为了加速而低头，或者为了减速而抬头的情况出现，从而降低飞机的控制效果，影响飞行安全。为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种民用客机的飞行高度层改变控制装置，该飞行高度层改变控制装置为基于能量管理和最小垂速保护的民用客机的飞行高度层改变控制装置及相应的控制方式，可以提升民用客机高度层改变过程中的稳定可控。

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。

图2为本发明实施例提供的一种民用客机的飞行高度层改变控制装置的结构示意图。本发明实施例提供的民用客机的飞行高度层改变控制装置，，包括以下功能性器件：基于能量管理的发动机油门控制器和基于最小垂速保护的俯仰控制器。

如图2所示飞行高度层改变控制装置的结构中，本发明实施例中基于能量管理的发动机油门控制器，用于将高度指令和速度指令转换为期望能量，并将飞机实时高度和速度转换为实时能量，从而通过控制发动机油门改变实时能量以使得实时能量与期望能量相同。

本发明实施例中基于最小垂速保护的俯仰控制器，用于飞机在爬升过程出现低头趋势，或者，飞机在下降过程出现抬头趋势时，退出控制飞机空速、切换为控制飞机垂速，等待飞机加速或减速到当前空速与指令空速的差值小于预设阈值时，退出控制飞机垂速、切换为控制飞机空速。

本发明实施例中，基于最小垂速保护的俯仰控制器的控制方式的目的为：防止飞机出现为了加速而低头，或者为了减速而抬头的情况。具体地，当飞机处在爬升状态，如果出现由于油门配合不到位导致飞机出现低头趋势时，将控制飞机速度切换成控制一个较低的爬升垂速，剩余能量进行加速，等待飞机加速到能量足够时，退出垂速控制转而控制飞机速度；相反，如果在下降过程飞机出现抬头趋势时，通过最小垂速保护逻辑将控制飞机速度切换成控制一个较低的下降垂速，剩余能量进行减速，等待飞机减速到能量足够时，退出垂速控制转而控制飞机速度。

本发明实施例是针对传统民用客机飞行高度层改变模态能量管理简单，控制量单一带来的飞行状态不稳定以及非期望的响应问题，提出了一种基于能量管理和最小垂速保护的民用客机的飞行高度层改变控制装置，通过精细能量管理和最小垂速保护的方式实现民用客机高度层改变过程中的稳定可控。

图3为本发明实施例提供的民用客机的飞行高度层改变控制装置中基于能量管理的发动机油门控制器的结构示意图。

如图3所示，在本发明实施例的一种实现方式中，基于能量管理的发动机油门控制器的具体实现方式，可以包括：

能量计算单元，用于将高度指令H_sp和速度指令V_sp转换为期望能量E_sp，并将飞机实时高度H和速度V转换为实时能量E；

能量控制单元，用于对实时能量E与期望能量E_sp的能量差值，进行比例处理和积分处理，得到发动机油门的输出值。

在本发明实施例的另一种实现方式中，如图3所示，本发明实施例中的能量计算单元，还用于将高度指令H_sp和速度指令V_sp为期望能量变化率dE_sp，以及将飞机实时高度H和速度V转换为实时能量变化率dE。

在该实现方式中，能量控制单元得到发动机油门的输出的方式为：

对实时能量E与期望能量E_sp的能量差值进行比例处理和积分处理后得到比例积分通道值，对期望能量变化率dE_sp与实时能量变化率dE的变化率差值经增益放大得到阻尼通道值，并对比例积分通道值和阻尼通道值求和作为发动机油门的输出值。

本发明实施例在具体实现中，能量计算单元所计算出的期望能量、实时能量、期望能量变化率和实时能量变化率的计算方式分别为：

相应的，本发明实施例中能量控制单元得到的发动机油门的输出值为：

上述公式中，T_sp为期望油门输出，E_sp为期望能量值，E为实际飞机能量值，dE_sp为期望能量变化率，dE为实际能量变化率；和为控制增益。

图4为本发明实施例提供的民用客机的飞行高度层改变控制装置中基于最小垂速保护的俯仰控制器包的结构示意图。

如图4所示，在本发明实施例的一种实现方式中，基于最小垂速保护的俯仰控制器的具体实现方式，可以包括：

空速控制单元，用于生成空速指令；

垂速控制单元，用于生成垂速指令；

最小垂速保护单元，用于飞机选择性的输出空速指令或垂速指令。

本发明实施例中，最小垂速保护单元选择性的输出空速指令或垂速指令的具体实施方式，可以包括：

当飞机在爬升过程出现低头趋势，或者，飞机在下降过程出现抬头趋势时，将输出从空速指令切换为垂速指令，等待飞机加速或减速到当前空速与指令空速的差值小于预设阈值时，将输出从垂速指令切换为空速指令。

在本发明实施例的一种实现方式中，空速控制单元中设置有空速积分器；

空速控制单元断开时，空速积分器置零，空速控制单元接通时，空速积分器初始化，并赋值为：

其中，为空速积分器接通瞬间上拍俯仰角指令输出。

在本发明实施例的另一种实现方式中，垂速控制单元中设置有垂速积分器；

垂速控制单元断开时，垂速积分器置零，垂速控制单元接通时，垂速积分器初始化，并赋值为：

其中，为空速积分器接通瞬间上拍俯仰角指令输出。

基于本发明上述实施例提供的民用客机的飞行高度层改变控制装置，本发明实施例还提供一种民用客机的飞行高度层改变控制方法，该飞行高度层改变控制方法可以采用本发明上述任一项实施例提供的民用客机的飞行高度层改变控制装置执行，该飞行高度层改变控制方法可以包括：

步骤1，执行基于能量管理的发动机油门控制策略，包括：将高度指令和速度指令转换为期望能量，并将飞机实时高度和速度转换为实时能量，从而通过控制发动机油门改变实时能量以使得实时能量与期望能量相同；该步骤1可以是由控制装置中基于能量管理的发动机油门控制器所执行的。

步骤2，执行基于最小垂速保护的俯仰控制策略，包括：飞机在爬升过程出现低头趋势，或者，飞机在下降过程出现抬头趋势时，退出控制飞机空速、切换为控制飞机垂速，等待飞机加速或减速到当前空速与指令空速的差值小于预设阈值时，退出控制飞机垂速、切换为控制飞机空速；该步骤2可以是由控制装置中基于最小垂速保护的俯仰控制器所执行的。

需要说明的是，本发明实施例不限制步骤1和步骤2的执行顺序，步骤1和步骤2可以并行执行的，即同时对发动机油门和俯仰角进行控制以实现飞行高度层的改变控制。

本发明实施例中由基于能量管理的发动机油门控制器执行基于能量管理的发动机油门控制策略的具体实现方式，以及由基于最小垂速保护的俯仰控制器执行基于最小垂速保护的俯仰控制策略的具体实现方式，在上述实施例中已经详细说明，故在此不再赘述。

本发明上述实施例提供的民用客机的飞行高度层改变控制装置及其控制方法，针对民用客机飞行高度层改变模态传统控制器中，将速度控制与高度控制分开，通过两个不同的通道分别控制，该传统控制方式带来的缺点就是发动机能量管理简单，一般都是开环给定最大或者最小油门；另外，会出现非期望的响应问题，导致飞机为了加速而低头，或者为了减速而抬头的情况出现，从而降低飞机的控制效果，影响飞行安全等问题，本发明实施例提出了一种基于能量管理和最小垂速保护的民用客机的飞行高度层改变控制装置，通过精细能量管理和最小垂速保护的方式实现民用客机高度层改变过程中的稳定可控。本发明实施例提供的基于能量管理和最小垂速保护的民用客机的飞行高度层改变控制的实现方案中，通过设置基于能量管理的发动机油门控制器和基于最小垂速保护的俯仰控制器，一方面，实现了基于能量管理对发动机油门进行控制，可以根据当前能量与最终期望达到的能量进行比较，给出一个合理的、闭环的发动机油门输出，消除由于能量不匹配导致的飞行过程不稳定的现象；另一方面，通过最小垂速保护逻辑将控制飞机速度切换成控制一个较低的下降垂速，剩余能量进行减速，等待飞机减速到能量足够时，退出垂速控制转而控制飞机速度。采用本发明实施例的技术方案，解决了传统民用客机的高度改变控制方式中存在的上述两方面的问题。

以下通过一些具体实施例对本发明实施例提供的民用客机的飞行高度层改变控制装置的实施方式进行详细说明。

该具体实施例针对传统民用客机飞行高度层改变模态控制方式中，将速度控制与高度控制分开，通过两个不同的通道分别控制，带来的就是发动机能量管理简单、出现非期望响应等缺点。该具体实施例提供了一种基于能量管理和最小垂速保护的民用客机的飞行高度层改变控制装置。共分为两个部分，一是基于能量管理的发动机油门控制器、二是基于最小垂速保护的俯仰控制器。参考上述图2到图4所示，本发明实施例的具体实施如下：

(1)第一部分：基于能量管理的发动机油门控制器：

忽略摩擦力带来的热能散失，飞机的总能量是动能和势能的总和为：

对时间的求导得到总能量消耗速率：

根据上式，可以得到：

对于小的轨迹角γ，就有：

从飞机的动力学方程中，可以得到了以下关系：

T和D是推力和阻力。在水平飞行中，初始推力与阻力是平衡的，推力改变的结果为：

可以看出ΔT与为比例关系，因此油门期望值应该被用来作为总的能量控制。

基于以上原理，本发明实施例提出了如图3所示的基于能量管理的发动机油门控制器的具体结构，总体思路是将原来传统控制器只控制单一的状态变量的方式改变为控制飞机总能量，认为飞机变高和变速，本质上是能量的变动。这样当飞行员给出高度和速度指令后，基于能量管理的发动机油门控制器会根据当前能量与最终期望达到的能量进行比较，给出一个合理的、闭环的发动机油门输出，而非传统控制器直接将油门给到最大或者最小，消除由于能量不匹配导致的飞行过程不稳定的现象。

基于能量管理的发动机油门控制器中油门输出按照下式计算：

其中，T_sp为期望油门输出，E_sp为期望能量值，E为实际飞机能量值，dE_sp为期望能量变化率，dE为实际能量变化率；和为控制增益。其余变量按照下式计算：

其中，其中，H_sp为期望高度、V_sp为期望速度、H为飞机高度、V为飞机速度。

(2)第二部分：基于最小垂速保护的俯仰控制器：

传统飞行高度层改变俯仰控制器单纯通过舵面去控制速度，这样会带来因为发动机油门配合不到位，导致飞机为了加速而低头，或者为了减速而抬头的情况出现。例如，在复飞等低高度状态，当给定的速度指令过大，由于速度提升需要过程，就会导致俯仰控制器在起始一段时间会产生一个低头的俯仰角指令，从而牺牲了高度，会带来较大的安全隐患。因此设计了基于最小垂速保护的俯仰控制器。

如图4所示，示意出基于最小垂速保护的俯仰控制器的具体结构，总体思路是：当控制器判断到飞机处在爬升状态，如果出现由于油门配合不到位导致飞机出现低头趋势时，通过最小垂速保护逻辑将控制飞机速度切换成控制一个较低的爬升垂速，剩余能量进行加速，等待飞机加速到能量足够时，退出垂速控制转而控制飞机速度；相反，如果在下降过程飞机出现抬头趋势时，通过最小垂速保护逻辑将控制飞机速度切换成控制一个较低的下降垂速，剩余能量进行减速，等待飞机减速到能量足够时，退出垂速控制转而控制飞机速度。

基于最小垂速保护的俯仰控制器中包含两套控制律结构，速度控制支路和垂直速度控制支路，生成两个独立的俯仰角指令Vθ_sp和VSθ_spA，生成方式如下式：

和为速度控制支路的控制增益，和为垂直速度控制支路的控制增益。

如图5所示，为本发明图4所示实施例提供的基于最小垂速保护的俯仰控制器的最小垂速保护逻辑的原理示意图，该最小垂速保护逻辑为：当自动驾驶仪进入飞行高度层改变模态后，首先进行高差判断，如果高度差大于ΔH英尺，那么意味着飞机要进行爬升，相反如果高度差小于-ΔH英尺，意味着飞机会下降，不考虑初始高差绝对值小于ΔH英尺的情况，因为这种情况无法接通飞行高度层改变模态。

当判定飞机要进行爬升时，为了保护由于油门配合不到位导致飞机低头的情况，因此设定保护垂速为一个小的正垂速，并将速度控制支路积分器接通，将垂速控制支路的积分器断开，控制器输出速度控制支路的俯仰角指令，即θ_sp＝Vθ_sp；飞行过程中如果出现垂速控制支路生成的俯仰角指令VSθ_sp大于速度控制支路生成的俯仰角指令Vθ_sp，那么将速度控制支路积分器断开，将垂速控制支路的积分器接通，并对垂速控制支路的积分器进行初始化，控制器输出垂直速度控制支路的俯仰角指令，即θ_sp＝VSθ_sp；如果随着飞机能量的提升，连续满足水平速度控制支路生成的俯仰角指令VSθ_sp小于速度控制支路生成的俯仰角指令Vθ_sp一定时间，将垂速控制支路积分器断开，将速度控制支路的积分器接通，并对速度控制支路的积分器进行初始化，控制器输出速度控制支路的俯仰角指令，即θ_sp＝Vθ_sp。

当判定飞机要进行下降时，为了保护由于油门配合不到位导致飞机抬头的情况，因此设定保护垂速为一个小的负垂速，并将速度控制支路积分器接通，将垂速控制支路的积分器断开，控制器输出速度控制支路的俯仰角指令，即θ_sp＝Vθ_sp；飞行过程中如果出现垂速控制支路生成的俯仰角指令VSθ_sp小于速度控制支路生成的俯仰角指令Vθ_sp，那么将速度控制支路积分器断开，将垂速控制支路的积分器接通，并对垂速控制支路的积分器进行初始化，控制器输出垂直速度控制支路的俯仰角指令，即θ_sp＝VSθ_sp；如果随着飞机能量的降低，连续满足水平速度控制支路生成的俯仰角指令VSθ_sp大于速度控制支路生成的俯仰角指令Vθ_sp一定时间，将垂速控制支路积分器断开，将速度控制支路的积分器接通，并对速度控制支路的积分器进行初始化，控制器输出速度控制支路的俯仰角指令，即θ_sp＝Vθ_sp。

垂速控制支路的积分器初始化方法是当垂速积分器接通瞬间，将垂速积分器初值按照下式赋值：

其中，为积分器接通瞬间上拍俯仰角指令输出。

速度控制支路的积分器初始化方法是当速度积分器接通瞬间，将速度积分器初值按照下式赋值：

其中，为积分器接通瞬间上拍俯仰角指令输出。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的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。