某駕駛員操縱裝置非線性問題解決方案

許志林，葉 蕾

（中國航空工業洪都，江西 南昌 330024）

某駕駛員操縱裝置非線性問題解決方案

許志林，葉 蕾

（中國航空工業洪都，江西 南昌 330024）

0 引言

某型飛行模擬器（下文簡稱飛行模擬器）的駕駛員操縱系統由于在設計階段未對系統的傳動關系進行深入分析，導致系統在安裝調試階段出現了縱、橫向操縱的非線性問題。為此，需要找到非線性問題出現的原因，并提出相關的解決方案。考慮到所有產品已經安裝到位，故應在現有基礎上提出一種最經濟、最簡潔的可行性改進方案。

1 系統簡介

飛行模擬器駕駛員操縱裝置的操縱負荷（靜態桿力、阻尼力）由操縱負荷裝置提供，操縱負荷裝置的驅動部件為伺服電機，伺服電機為系統提供靜態力和阻尼力，其動、靜態特性可根據所需要的目標值進行參數化修正。

目標機型的駕駛員操縱裝置的縱、橫向桿力——桿位移為線性關系，可通過設置操縱負荷系統的相關參數，為駕駛桿提供所需要的線性桿力——桿位移特性。

飛行模擬器的縱、橫向操縱系統主要由駕駛桿、縱向桿系、橫向桿系、縱向操縱負荷系統、橫向操縱負荷系統等組成，系統結構圖如圖1所示。

縱向操縱時，駕駛桿的前后運動通過拉桿、搖臂組件將其操縱力和位移傳遞至縱向伺服電機，電機按照設定的系數為駕駛桿提供操縱力和阻尼力，伺服電機的輸出力矩與其偏轉角度成線性關系，同時可設置初始啟動力，伺服電機控制系統邏輯圖見圖2。縱向操縱系統理論圖見圖3。橫向操縱系統原理與縱向操縱系統基本相同，僅比縱向操縱系統中間多若干傳遞環節（扭力管、搖臂等），橫向操縱系統理論圖見圖4。

2 問題描述

飛行模擬器所針對的目標機型的駕駛員操縱裝置縱、橫向桿力——桿位移特性曲線分別如圖5、圖6所示。

根據縱向操縱系統理論圖及縱向桿力——桿位移特性曲線，設力矩電機產生偏角dθ時，產生的增量力矩為dM，則有：

縱向伺服電機需要提供的預載力矩為：

因此，可設置縱向操縱負荷系統的啟動力矩為1.133N·m，比例系數為0.342N·m/deg。

同理，可計算橫向操縱負荷系統的啟動力矩為0.48N·m，比例系數為0.0447N·m/deg。

通過某型專用的駕駛員操縱裝置檢測設備，測量駕駛員操縱點處的桿力——桿位移特性，實際得出的縱、橫向操縱特性曲線如圖7、圖8所示。

3 原因分析及可行性解決方案

為了對實測的縱、橫向操縱特性進行詳細的理論分析，利用西門子公司的LMS Virtual.Lab Motion軟件建立飛行模擬器縱、橫向操縱系統的多剛體動力學模型，通過仿真駕駛桿運動工況，進行深入分析。

3.1 縱向操縱系統

3.1.1 原因分析

建立縱向操縱系統多剛體動力學模型如圖9所示。通過對縱向操縱時的實際工況進行仿真分析，繪制駕駛桿轉角——電機搖臂轉角對應關系傳動比曲線，如圖10所示，通過傳動比曲線與標準直線對比可以看出，該系統的縱向操縱確實存在明顯的非線性（為使觀察更直觀，圖中增加了一條標準直線作為參考，該直線并非線性擬合的直線，下同）。對該數據利用OriginPro軟件進行線性擬合，得出擬合的標準差SD值為0.20428°，換算至縱向操縱點的線性位移約為1.7mm。

分別對其中的兩根拉桿的兩端鉸點進行傳動比分析，定義靠近駕駛桿的拉桿為拉桿1，靠近電機的拉桿為拉桿2，經過分析，兩根拉桿的兩端鉸點在全運動行程內傳動比曲線如圖11所示。非線性嚴重的為拉桿2兩端鉸點之間的傳動比，而拉桿1兩端鉸點的線性度較好。

通過對縱向操縱系統進行分析可知，系統在兩根拉桿的兩端都采用了不等長搖臂對系統的傳動比進行放大，使駕駛桿端鉸點的偏角-10.853°傳遞至電機后，放大至-40.603°，傳動比系數過大，導致在后端開始出現了明顯的非線性。圖11中拉桿1在開始階段傳動比放大較小，所以線性度較好，到拉桿2后傳動比增大較多，就開始出現明顯的非線性。

3.1.2 可行性解決方案

為解決縱向操縱系統的非線性問題，必須減小其傳動比。由于目前的產品已經完成生產和安裝，因此，需要在原方案上進行改裝設計，而改裝方案必須綜合考慮經濟性和改動量最小化的原則。

由于結構形式的限制，各鉸點的固定位置難以變動，因此，主要可改動部件為中間搖臂，改動后的縱向操縱系統理論圖見圖12，為減小傳動比將中間搖臂的R40mm臂長更改為R75mm，同時為使拉桿與搖臂夾角盡量接近90°，適應性更改了拉桿1的長度（由原398.4mm更改為393.3mm）。

對改進后的系統重新進行多剛體動力學仿真，仿真后的二維曲線如圖13所示，由圖可知，改進后系統的線性度已明顯改善，利用Origin軟件對改進后的仿真數據進行線性擬合，擬合的標準差SD值為0.054 56°，換算至縱向操縱點的線性位移約為0.45mm。

3.2 橫向操縱系統

3.2.1 原因分析

建立橫向操縱系統多剛體動力學模型如圖14所示。在按照設計要求的橫向操縱位移±50mm對模型提交求解時，提示錯誤中止，檢查模型的裝配、約束信息均無誤，初步估計可能與驅動的參數設置有關，減小極限操縱位移后，模型得以正常運行，經過多次調試，驅動偏角設置為±49.3°為最大可接受值。觀察模型的運動過程，發現在駕駛桿左壓至極限位置時，電機的搖臂與其連接的拉桿已成接近直線狀態（圖15），導致之前的求解提示錯誤。由此可知，橫向系統在設計原理上即存在不合理，搖臂與拉桿成直線后，傳動比趨于無窮大，機構已無法繼續運動。

對減小極限行程后的橫向操縱系統進行仿真分析，繪制橫向駕駛桿轉角——電機搖臂轉角傳動比曲線，如圖16所示，從該圖可以看出，在右壓桿過程中，存在非常明顯的非線性，到極限位置時，曲線已接近水平（傳動比趨于無窮大）。利用OriginPro軟件進行線性擬合，擬合的標準差SD值為1.01573°，換算至橫向操縱點的線性位移約為4.04mm。

3.2.2 可行性解決方案

根據上節中對橫向操縱系統的非線性原因分析可知，橫向操縱系統與縱向操縱系統同樣存在傳動比系數過大的問題的，在左壓桿時，已經出現電機搖臂與拉桿成直線的嚴重情況。

對橫向操縱系統的各組成部件進行分析，駕駛桿組件為一體化的成品件，無法更改其內部結構，如需解決目前存在的問題，需要在扭力管搖臂或吊掛搖臂上進行設計改進，最簡單經濟的解決方案為取消中間吊掛搖臂，將電機整體抬高75mm，用一根長拉桿（L770mm） 代替兩根沿航向布置的拉桿（L410mm和L360mm），更改后的橫向操縱系統理論圖見圖17。

對改進后的系統重新進行多剛體動力學仿真，改進后的橫向操縱系統多剛體動力學模型見圖18，改進后的橫向操縱系統駕駛桿至電機搖臂的傳動比仿真曲線如圖19所示。由圖可知，改進后系統的線性度已明顯改善，利用OriginPro軟件對改進后的仿真數據進行線性擬合，擬合的標準差SD值為0.05301°，換算至縱向操縱點的線性位移約為0.21mm。

4 改裝方案仿真驗證

針對改進后的方案，建立新的多體動力學模型，根據理論計算的線性傳動比在力矩電機處設定一帶有啟動力的線性彈簧力，并在操縱點處施加規定的位移驅動，仿真得出改進后的縱、橫向操縱桿力——桿位移特性曲線如圖20、圖21所示（縱向操縱時前推桿為負、后拉桿為正，橫向操縱時左壓桿為負、右壓桿為正）。

由圖20可知，縱向操縱時，前推桿的線性度較好，后拉桿在60mm以后開始出現較小的非線性，但整個過程中變化較小，至后拉極限時，變化值仍在可接受的公差范圍內。

同樣，在圖21中，橫向操縱時，在左、右壓桿至30mm以后，也出現了較小的非線性，但變化很平緩，至極限位置時，操縱力均在可接受的公差范圍內。

5 結語

由于該飛行模擬器在早期設計階段未進行深入的傳動比分析，導致問題在安裝調試過程中才被發現。本文針對某型飛行模擬器在安裝調試過程中，操縱系統出現的非線性問題，利用西門子公司的LMS Virtual.Lab Motion軟件對問題原因進行仿真分析，并利用Origin軟件對傳動比曲線的非線性情況進行定量分析，基于改動最小化及最經濟的原則，提出了可行性的解決方案。

[1]王永熙.飛機設計手冊·第12冊.飛行控制系統和液壓系統設計.北京：航空工業出版社，2003.

[2]萬曉峰,劉嵐.LMS Imagine.Lab Motion入門與提高.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

>>>作者簡介

許志林，男，1982年出生，2006年畢業于南京航空航天大學，工程師，主要研究領域為操縱系統設計與液壓伺服作動系統設計。

Solution to Nonlinear Problem on Pilot’s Control Device

Xu Zhilin，Ye Lei
（AVIC-HONGDU，Nanchang,Jiangxi，330024）

During the static test of the pilot’s control device of a flight simulator for one type of aircraft,it is found that the longitudinal and lateral stick force,i.e.the stick displacement curve is nonlinear,which is not in conformity with the theoretical linear gradient curve.This paper carries out simulation analyses for relevant objects through software LMS Virtual.Lab,thus finding out the cause of the nonlinear problem and providing feasible solution, meanwhile,the new solution is verified by simulation.

Flight simulator;Simulation;Nonlinear

2017-01-15）