電動式人感仿真系統原理樣機設計與實現

王勇亮，盧 穎，孫方義

（空軍航空大學 軍事仿真技術研究所，吉林 長春 130022）

電動式人感仿真系統原理樣機設計與實現

王勇亮，盧 穎，孫方義

（空軍航空大學 軍事仿真技術研究所，吉林 長春 130022）

為提高某型直升機飛行模擬器人感仿真系統操縱力感逼真度，研制了人感仿真系統原理樣機，建立了電動式力伺服加載系統模型，將模型應用于人感仿真系統原理樣機并進行力感試驗，試驗結果表明，人感仿真系統原理樣機設計合理，能夠通過模型力時域跟蹤和桿力-位移軌跡跟蹤等來研究系統的力感跟蹤性能；同時控制算法研究也表明：常規PID控制方式難以滿足系統模型力的實時精確跟蹤，為提高系統的跟蹤速度和精度，應采用前饋補償加PI控制和反饋-前饋迭代學習控制等控制策略。

人感仿真系統；原理樣機；仿真驗證；PID控制

人感仿真系統［1-2］是飛行模擬器的重要組成部分，用來對飛行員駕駛飛行器的操縱桿力、腳蹬力進行仿真，其性能好壞直接影響到飛行模擬器的逼真程度和品質評定。為了研制出性能優良的飛行模擬器人感仿真系統，首先要進行人感仿真系統原理樣機的研制，樣機的合理設計與否直接決定人感仿真系統整體操控性能和力感逼真性。本文根據某型直升機飛行模擬器電動式人感仿真系統的總體方案指標［3-4］，設計了原理樣機的硬件系統和軟件系統，采用合理的控制策略及選取最優控制參數，在原理樣機上進行仿真驗證，并應用于實際的飛行模擬器人感仿真系統中，提高了人感仿真系統的逼真度。

1 硬件分系統設計

1.1 機械結構設計

樣機整體機械結構是電動式人感仿真系統的硬件實現平臺，主要用于安裝座椅機構、駕駛機構、力伺服執行機構以及傳感器等測量元件，整體結構滿足測試人員的測試指標需求。

機械結構的設計應遵循以下幾點：首先，真機座艙布局尺寸符合人體正常操縱習慣。其次，由于系統由高精度力伺服電機進行加載，傳動機構盡量減少機械連接機構，以降低摩擦力和大質量慣性的影響。控制柜的設計應合理布局，避免各通道數據通訊線路相互之間的電磁干擾。最后，還得保證機械結構的可維護性和拆裝性，使其易于維護保養，提高使用壽命。

綜上所述，為使原理樣機系統結構合理設計，以及精確計算駕駛桿到電動缸輸出端的傳動比、腳蹬與電動缸輸出端的傳動比和座椅布局等參數，利用計算機輔助軟件CATIA設計了試驗樣機機械結構圖。

1.2 控制系統設計

原理樣機的電動式力伺服控制系統［5-6］由力矩電機，增量式光電編碼器（12位分辨率）、電動缸、驅動器、數據采集卡、力傳感器、人感仿真計算機等組成。具體參數如下：

1）人感仿真計算機：人感仿真計算機采用研祥公司生產的雙核處理器，CPU主頻為2.5 GHz的HPC6022工業級一體化工作站。

2）D/A轉換卡：D/A轉換卡采用研華公司生產的6通道16位PCLD-8710卡，輸出范圍±10 V，精度0.05 mV。

3）力矩電機：力矩電機采用寧波菲仕公司生產的凸極式表面磁鋼型永磁同步電機，極對數為3，最大堵轉力矩4.0×105Nm，額定轉速9.0×103N n/min，其角位置反饋為采用增量式光電編碼器，精度0.005°。

4）力傳感器：力傳感器采用美國Transcell公司生產的S型應變片式扭矩傳感器，而額定量程250 kg，分辨力0.05%，精度0.001%。

5）可編程驅動器：電機驅動器采用德國力士樂公司生產的電流矢量控制運動控制器，額定功率4.5千瓦，工業380 V交流供電。

6）數據采集卡：數據系統采用hilscher公司的cifx數據采集卡，它通過計算機串口傳輸數據，SERCOSⅢ協議通信模式。

此外，為提高系統的抗干擾能力，系統在硬件設計方面還重點考慮了濾波和屏蔽問題。因為系統的工作頻率高，力傳感器反饋信號采用差模放大傳輸模式，信號傳輸電纜采用優質屏蔽電纜及三相強電源輸入輸出均采用低頻濾波器，有效地提高系統的抗干擾性。

2 軟件分系統設計

電動式人感仿真系統軟件分系統是主要完成四通道模型力解算、控制策略實現、數據可視化和數據通訊等任務。為更好地提高系統實時性和同步性，設計了以WindowsXP+RTX為軟件平臺的人感仿真系統軟件，WindowsXP完成數據顯示和可視化工作，RTX實時操作系統完成控制策略和各種補償器實現。此軟件設計思路，極大地提高系統的實時性和可靈活性。

2.1 實時系統構建

電動式人感仿真系統［7-8］計算機以先進的工業控制PC機為軟硬件平臺，因Windows操作系統的弱實時性不滿足本系統強實時性要求，而美國Ardence公司推出的RTX（real time extention）是基于Windows下的實時擴展子系統，其修改和擴展了系統硬件抽象層，具有128級優先級，適合用于工業過程強實時控制。

文中采用RTX實時擴展子系統，并結合PC機總線上連接工業運動控制卡實現強實時控制任務。目前，國內外沒有通用的軟件包來實現這種工業控制系統，需要自己開發一套包括驅動程序在內的軟件系統。

電動式人感仿真系統控制界面如圖1所示，用以實現WindowsXP實現控制模式設置和控制界面數據輸出顯示，RTX子系統下的rtss進程實現模型力的解算、控制算法實現、數據采集以及數據通信等任務，人感仿真系統的實時操作系統，通過WindowsXP和RTX共享內存方式實現強實時多任務進程。

圖1 電動式人感仿真系統控制界面Fig.1 Control interface of electro-motive force-feeling simulation system

2.2 系統軟件流程設計

1）系統軟件控制流程

電動式人感仿真系統初始處于待機狀態，當接收到初始化命令后，進行工作狀態的切換，如果在初始化進行中出現故障即進入故障處理，系統復位結束，重新進入待機狀態，進行再次的啟動工作，如果系統初始化正常，則進入工作狀態，實現力控系統的力感模擬，系統試驗結束接受關閉命令，系統進入待機狀態。

2）縱向通道軟件流程

電動式人感仿真系統的人感仿真計算機工作時，同時解算飛機四個通道的模型力，文中以某型直升機模擬器縱向單通道為例，設計俯仰通道子程序流程圖。

系統啟動并初始化之后，電機以位置模式驅動駕駛桿勻速回中，確認回中之后系統進行4種模式辨識，以縱向通道為例，當有外力作用于駕駛桿時，系統選擇人工操縱模式并進入力閉環模式，否則辨識是否進入其他3種模式。在此，為了人員和系統的安全性考慮，設置了最大速差、位差及力差模塊，超過臨界值系統自動關閉。

3）模型力解算模塊設計

模型力的解算過程在RTX擴展子系統的rtss進程中進行，與實際輸出量比較后形成控制量輸出到驅動接口。同樣以縱向通道模型力解算為例，本文依據電動式人感仿真系統的縱向操縱桿力模型，以接收的主控計算機參數、駕駛桿相對位移、編碼器輸出位移和速度指令等參數，實時解算模型力。

3 仿真驗證

為了驗證某型電動式人感仿真系統原理樣機的力感跟蹤性能，在研制的原理樣機上進行了反復試驗研究，經反復試驗并測試其力感跟蹤性能。研究包括常規PID控制、前饋補償加PID控制和反饋-前饋迭代學習控制下系統實際輸出研究等。具體驗證方法是通過模型力時域跟蹤和桿力-位移軌跡跟蹤研究。本文以常規PID控制實驗研究為例進行系統驗證研究。

3.1 驗證模型

1）電動式力伺服加載系統模型

根據交流伺服電機性能指數選擇匹配的電動缸，設滾珠絲杠導程設為Kg，單位（m/rad），θf為電機輸出轉角。滾珠絲杠的伸長量為：

2）力傳感器模型

力傳感器是連接電機與被加載對象的關鍵部件，由于其本身的慣量和摩擦較小，可以視為一個比例環節，力模型簡化為：

上式中，M為力傳感器系數，Δθ為傳感器兩端的形變角度差，TL為輸出擾動力。

根據以上兩部分數學模型，建立電動力伺服加載系統模型，電動式力伺服加載系統的外環反饋為力閉環，實現操縱負荷系統力感閉環控制，同時保證系統穩態精度和動態跟蹤性能，最后得加載系統模型框圖如圖2所示。

圖2 電動式力伺服加載系統模型框圖Fig.2 Model diagram of electro-motive force servo loading system

根據圖2得電動式力伺服加載系統前向通道閉環傳遞函數為：

上式中，a=（Rj+KiKiqJ），b=（KtKrKiKiqKsp+KtKe），c=（KtKrKiqKsi+Gf（s）Gpi（s）KiqKtM），Gf（s）為主反饋控制器傳遞函數，Gpi（s）為速度環控制器傳遞函數，Giq（s）為電流環控制器傳遞函數。

3.2 仿真驗證研究

1）常規PID控制實驗研究

在構建完整的原理樣機上，根據電動式力伺服加載系統模型進行常規PID控制試驗研究，經反復實驗得出，系統在動態（被動）加載過程中隨駕駛桿的運動產生多余力的干擾，并經反復調節各控制參數，且在不加任何補償措施下，得到最優控制效果如圖3所示。其中，在圖3（a）中曲線1為系統駕駛桿速度輸出曲線，曲線2為系統桿力輸出曲線，曲線3為系統模型力曲線，圖3（b）中曲線1和2分別為系統模型力和實際輸出桿力。

從圖3（a）中可以看出，系統存在較大的多余力干擾，使系統輸出產生震蕩現象，尤其是在推駕駛桿到極限位置過程中，震蕩現象更加嚴重，最大誤差超過輸出最大值的50%，與此同時，實際輸出跟蹤力相位明顯滯后于模型力，電動式人感仿真系統的力感跟蹤性能很難保證。從圖3（b）可以看出，縱向通道桿力-位移輸出曲線明顯失真，從中立位置拉桿到最后駕駛桿回到中立位置整個過程，除開始點和最后結束時模型力與實際輸出力相等，在其他過程中輸出力嚴重滯后模型力。另外，從系統桿力輸出曲線可以看出，在駕駛桿移動過程中，桿力過渡存在波動，且桿力平滑度無法保證。

圖3 PID控制效果Fig.3 PID control result

2）前饋補償+PI控制實驗研究

為提高系統的跟蹤速度，控制器在PI控制下加入前饋補償。經過反復試驗研究，PI+前饋補償控制下系統輸出曲線如圖4所示，圖4（a）中，曲線1為輸入速度指令曲線，曲線2為系統輸出力跟蹤曲線，曲線3為系統模型力曲線；圖4（b）中曲線1和曲線2分別表示模型力和實際輸出桿力。

從圖4（a）中可以看出，系統輸出相位滯后完全消失，快速性明顯提高，實現系統輸出桿力零滯后跟蹤，并且極限位置震蕩現象明顯減小，只有在操縱駕駛桿達到兩極限位置換向時出現震蕩現象。不足之處是，在操縱駕駛桿移動頻率增大時，系統輸出跟蹤力幅值有明顯衰減現象。從圖4（b）桿力-位移輸出曲線看，系統實際輸出桿力接近模型力曲線，桿力平滑度有明顯提高，只在中立點換向時及兩極位置還存在一定誤差。

圖4 前饋補償+PI控制效果Fig.4 Control result of feed-forward compensation with PI

4 結 論

仿真結果及系統仿真驗證實現過程表明，原理樣機設計合理，能夠通過模型力時域跟蹤和桿力-位移軌跡跟蹤等來研究電動式人感仿真系統的力感跟蹤性能；同時控制算法仿真研究也表明：常規PID控制方式難以滿足系統模型力的實時精確跟蹤，為提高系統的跟蹤速度和精度，控制器在上述控制下應加入前饋補償加PI控制或反饋-前饋迭代學習控制等。

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Design and realization of electric force-feeling simulation system principle prototype

WANG Yong-liang，LU Ying，SUN Fang-yi
（Military Simulation Technology Research Institute，The Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China）

In order to improve the control loading fidelity of helicopter flight simulator force-feeling simulation system，this paper develops the principle prototype of force-feeling simulation system，establishes the electro-motive force servo loading system model，applies the model to the force-feeling simulation system principle prototype and conducts the test of sense of force.The results show that the design of force-feeling simulation system is reasonable，using the model of force temporal tracking and force displacement trajectory tracking to study the sense of force tracking performance.The control algorithm also shows that:conventional PID control is hard to satisfy the real-time accurate tracking for model of force.To improve the tracking speed and precision，feed-forward compensation with PI control and feedback-feedforward iterative learning control strategies should be used.

force-feeling simulation system；principle prototype；simulation and verification；PID control

TN99

A

1674－6236（2016）04-0022-04

2015-03-22 稿件編號：201503298

王勇亮（1961—），男，黑龍江海林人，碩士，副教授。研究方向：飛行模擬器實時控制與實時仿真技術。