设计方法与基于文档的设计方法相比，在构型控制、全寿命周期管理等方面具有很大优势。控制律设计为民用飞机飞控系统的核心组成部分。将民机飞控系统控制律与系统工程过程结合，包括需求定义、需求分析、架构设计、开发实施、构型管理、确认、验证以及交付等系统工程实际应用，可有效组织开发工作，提高效率。
关键词：民用飞机控制系统；控制律；系统工程
中图分类号：TP302
文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）005-0041-03
作者简介：谢陵（1983-），男，湖南长沙人，硕士，中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院工程师，研究方向为民用飞机飞控系统设计、飞行仿真、系统工程及控制律设计。
0 引言
世界最先进的民用飞机，包括A380、 A350、B777及B787，以及国内新的民机项目都采用了电传飞控系统。所谓电传飞控，是指利用传感器、总线和计算机技术，综合飞行员驾驶舱控制指令以及来自传感器的飞机状态指令，经过计算机计算，得出舵面控制指令。所谓“控制律”就是算法。民用飞机控制律事关飞机的安全、性能、操纵品质及乘坐品质[1]。系统工程是一种思考问题和解决问题的方法，是指把各种（可能是根本不同的）功能和硬件要素放入一个更大的系统中，以满足客户需求的有序过程。控制律开发作为飞控系统开发的重要组成部分，涉及到方方面面，采用系统工程方法，可以有效组织开发过程[2-4]。本文基于系统工程思想，阐述了民用飞机控制律的开发过程。
1 控制律开发输入输出
控制律开发过程的输入包括：飞机级与系统级控制律需求、风洞试验数据（气动数据、铰链力矩数据）、质量数据（重量特性、惯量特性）、发动机仿真模型、传感器以及动作的仿真模型等 [5]；控制律开发过程的输出包括：以Matlab/Simulink形式表述的控制律仿真模型，以及以文档形式描述的控制律详细需求。
2 利益相关方需求定义
控制律设计首先要做的工作就是了解需求。作为飞机制造商的控制律开发团队，需要从客户（主要是航空公司、乘客代表）、飞行员、适航当局（政府、公众）、供应商以及其它设计部门（结构强度、机械系统及其它交联系统）得到设计要求，经过分析确认后，提交给飞控软件供应商。需求是一个迭代活动，需要不断和客户沟通和确认[6]。
例如：航空公司希望新型号飞机的操纵特性与该航空公司既有机型类似，这样可以减少飞行员培训成本；由于减重要求，结构强度专业人员可以要求控制律设计放宽静稳定性、机动载荷减缓等功能。
3 需求分析
3.1 情景构建
考虑系统的内外部运行环境和交联情况，对需求进行分析，可以利用很多建模和仿真工具软件进行控制律情景构建工作。
3.2 设计约束
进行控制律需求分析时要考虑很多设计约束，包括成本和进度、产品性能水平、系统运行环境、现有设备、系统的使用以及与其它系统或组织机构的操作接口。
3.3 专家评审
可以通过专家评审的方式进行控制律需求分析，利用专家的实际工作经验，对控制律需求的正确性和完整性把关。
4 需求分解及架构设计
按照一定规律对需求进行分解，一般来说，可以按照控制律功能的实施物理位置进行分解，也可以按照功能架构进行分解，图2是控制律需求按照功能进行分解的例子，以此为基础进行控制律开发的工作分解和组织分解。
5 控制律开发实施过程
基于控制律进行的工作分解和组织分解中，重要的是工作分解，即把控制律分解到功能模块（工作包），每个功能模块作为任务分工的基本单元，由控制律工程师独立进行详细的需求描述、建模、测试、确认和验证。每个功能模块进行设计时，需要提供功能模块说明，说明功能模块需要完成的功能、输入与输出列表、需要的工作量大小、工作的开始和结束日期等。功能模块负责人不但负责控制律功能建模，还负责其详细需求编制、模型的构型控制、需求结果反馈的处理以及测试结果反馈的处理等。
6 控制律功能模块测试及确认
控制律功能模块构建完成后，要经过检查和测试。按照一定层级的集成测试，最后整个控制律与飞机六自由度运动方程组合进行非线性测试，还要在工程模拟器上做飞行员在环试验，确认控制律需求的正确性和完整性。控制律功能模块测试及确认工作顺序是由下至上的：
首先完成模块级测试，主要检查变量命名、输入输出格式、插值表及参数的正确性，检查模块与系统需求的符合程度，通过模块设计者交叉目视检查或脚本测试等方式完成；
接着，把各模块集成为控制律模块，与飞机六自由度运动方程、推力模型、传感器模型、作动器模型以及环境模型结合，进行控制律功能的非线性测试；
最后把控制律模型加载到驾驶舱，显示、操纵设备，进行飞行员在环试验，依据飞行员的评价来调整相关参数，完善控制律。
7 构型管理
构型管理的目的是确保控制律在整个系统开发过程中的构型能够得到有效管理，建立、控制和维护控制律构型基线。当控制律设计经过测试和确认后，交付给软硬件供应商进行系统软硬件开发和集成工作。
控制律设计中，以经过分解的控制律功能模块作为构型控制的基本元素，建立构型管理闭环控制流程，包括对控制律功能模块更改的评估、批准、确认和验证流程。控制律基线管理包括对控制律模块基线的建立、更改以及基线的编号规则。
构型控制需要对控制律模块的命名、输入输出的命名、模块内部参数的命名规则进行定义，这是构型控制的基础，如对模块的命名：NM_AutoTrim，正常模式（Normal Mode）自动配平功能；对信号的命名：CAS_AD_kts_d，来自大气数据系统的校正空速信号，单位为节knot，数据类型是double等。
8 控制律交付和验证
经过阶段性评审之后的控制律模块，由主制造商提交
给系统集成商进行软硬件开发和集成。集成商交付的软硬件系统由主制造商进行验证，以确定系统是否达到预期功能，并且满足各自的性能要求。验证方法包括测试、目视检查、分析等。对于控制律，一般通过测试的方法完成验证工作。测试可以是分系统测试和集成测试，分系统测试主要是通过仪器（信号激励器仿真器、示波器或者总线信号查看器等）测试，集成测试主要是铁鸟试验，即接入飞控系统的输入输出硬件设备，如：驾驶杆的俯仰输入，观察作动器是否按照预期的输出进行偏转，或者仿真大气数据及惯导系统输入，以验证控制律软硬件是否能输出预期的系统指令。
9 结语
本文对控制律研发的系统工程过程进行了阐述。控制律开发是一个迭代的过程，并不是按照阶段交付的交钥匙工程，从飞机级的飞控系统需求开始，一直到最后飞机取得型号合格证，需求更改—控制律需求更改—确认—软件版本更新—验证的过程会一直迭代进行下去。
参考文献：
[1] 吴森堂.飞行控制系统[M]. 北京： 北京航空航天大学，2005：311-312.
[2] CECILIA HASKINS.System engineering handbook[Z].INCOSE，2006.
[3] SAE.ARP4754A guidelines for development of civil aircraft and systems[Z].2010.
[4] 朱一凡.NASA系统工程手册[M]. 北京：电子工业出版社，2012.
[5] 《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册[M].北京：航空工业出版社， 2003.
[6] SCOTT JACKSON.Systems engineering for commercial aircraft[J]. Gower Technical ，1997： 34-35.
（责任编辑：杜能钢）