全動(dòng)飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)原理及仿真設(shè)計(jì)淺述

鄧昌盛

（四川航空集團(tuán)有限公司培訓(xùn)中心,成都 611731）

全動(dòng)飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)原理及仿真設(shè)計(jì)淺述

鄧昌盛

（四川航空集團(tuán)有限公司培訓(xùn)中心,成都 611731）

全動(dòng)飛行模擬器的操縱負(fù)荷系統(tǒng)，它給提供飛行員操縱力感逼真度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到飛行模擬器中。論文討論了目前操縱負(fù)荷系統(tǒng)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)、工作流程、建模以及仿真軟件的設(shè)計(jì)。操縱負(fù)荷系統(tǒng)主要由主計(jì)算機(jī)，光纖式接口通道，操縱負(fù)荷控制組件，電源分配組件，數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，傳感器組件，力伺服執(zhí)行系統(tǒng)等部分組成；仿真設(shè)計(jì)主要對(duì)駕駛桿桿力進(jìn)行了建模，并對(duì)仿真軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了淺要的分析。

飛行模擬器；操縱負(fù)荷系統(tǒng)；仿真軟件

1 概述

操縱負(fù)荷系統(tǒng)是全動(dòng)飛行模擬器（FFS, Full Flight Simulator）的基本和重要的組成部分之一，應(yīng)用實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，提供飛行員的操縱力感和過(guò)載感，逼真的對(duì)操縱負(fù)荷系統(tǒng)進(jìn)行模擬將極大的提高飛行員的訓(xùn)練效果，其性能好壞將直接影響飛行模擬機(jī)等級(jí)評(píng)定。操縱負(fù)荷系統(tǒng)的原理和仿真是全動(dòng)飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。本文將重點(diǎn)研究操縱負(fù)荷系統(tǒng)的原理及仿真設(shè)計(jì)。

2 操縱負(fù)荷系統(tǒng)的原理

操縱控制系統(tǒng)包括主操縱系統(tǒng)和輔助操縱系統(tǒng)。其中，主操縱系統(tǒng)由副翼、水平尾翼和垂直尾翼組成，分別用于控制飛機(jī)的橫滾、俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)。輔助操作系統(tǒng)由前輪轉(zhuǎn)彎操作裝置、剎車(chē)系統(tǒng)操作裝置、襟翼操作裝置和減速板操作裝置等組成。本文將主要介紹主操縱控制系統(tǒng)。

主操縱負(fù)荷系統(tǒng)由主計(jì)算機(jī)，HSSL光纖式接口通道，操縱負(fù)荷控制組件，電源分配組件，數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，傳感器組件，力伺服執(zhí)行系統(tǒng)等組成。整個(gè)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和真實(shí)性。原理圖2-1所示。

圖2-1

2.1 組成部件介紹

①主計(jì)算機(jī)：主要用于運(yùn)行飛機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)飛機(jī)的飛行狀態(tài)及操縱模式的不同，計(jì)算偏差力。②光纖式接口通道：用于主計(jì)算機(jī)，操縱負(fù)荷控制組件及數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)器的高速通信。③操縱負(fù)荷控制組件：監(jiān)控操縱負(fù)荷系統(tǒng)的安全性、電壓正常、伺服閥正常等必需的接通邏輯，控制電源分配組件向伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和力伺服機(jī)構(gòu)的供電。④電源分配組件：向數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和力伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供電源。⑤數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：用于驅(qū)動(dòng)力伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作。⑥傳感器組件：位移傳感器采用高精度的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測(cè)駕駛桿等操作組件的位移和速度；壓力傳感器用于檢測(cè)駕駛桿等操縱組件末端輸出的力。⑦力伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電動(dòng)式操縱負(fù)荷系統(tǒng)采用的是伺服電機(jī)作為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是應(yīng)用伺服電機(jī)的力矩模式進(jìn)行扭矩輸出控制。

2.2 工作流程原理

系統(tǒng)的閉環(huán)工作流程原理圖2-2所示。

圖2-2

①主計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行飛機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，該模型根據(jù)給定的飛機(jī)機(jī)型、飛行姿態(tài)、飛行模式等實(shí)際數(shù)據(jù)建立，并用高級(jí)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。②當(dāng)飛行員操縱駕駛桿時(shí)，壓力傳感器和位移傳感器實(shí)時(shí)采集到來(lái)自駕駛桿的操作力和操作位移，速度等模擬信號(hào)。③通過(guò)操縱負(fù)荷控制組件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)光纖式通信接口將力、位移等信號(hào)傳遞回主計(jì)算機(jī)，在主計(jì)算機(jī)代入飛機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，得到理論的輸出值。④該理論值通過(guò)光纖式接口通道輸出到操縱負(fù)荷控制組件，控制力伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行到指定的位移。⑤在整個(gè)過(guò)程中，操縱負(fù)荷控制組件控制電壓分配組件向數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和力伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供電。

3 操縱負(fù)荷系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

全動(dòng)飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)需要逼真地模擬飛行員在飛行中操縱駕駛飛機(jī)所感受到的力，為完成飛機(jī)操縱系統(tǒng)仿真，首先要建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型的建立是操縱負(fù)荷系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的基礎(chǔ)，其模型的好壞直接影響到飛行模擬器的逼真程度。飛機(jī)的橫滾、俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)的模型建立的基本原理相同，本文將以使用駕駛桿操縱升降舵的過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型為例介紹。

3.1 升降舵操作系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)飛行員通過(guò)駕駛桿操縱升降舵時(shí)，負(fù)載力主要由氣動(dòng)力、慣性力、粘性摩擦力、庫(kù)侖摩擦力、彈簧力、止動(dòng)力六個(gè)部分組成，即：,其中氣動(dòng)力是飛行員所能感受到的主要載荷力。

②慣性力Fn：由于駕駛桿質(zhì)量不平衡，在飛機(jī)角加速度或過(guò)載情況下產(chǎn)生的慣性力。

N—縱向過(guò)載；

Kn1、K n2—等效比例系數(shù)；

③庫(kù)侖摩擦力Fn：它是取決于駕駛桿位移時(shí)速度的極性和摩擦力系數(shù)的常值摩擦力。當(dāng)駕駛桿位移速度為正值，庫(kù)侖摩擦力為正值，駕駛桿位移速度為負(fù)值，庫(kù)侖摩擦力為負(fù)值。

④粘性摩擦力Fv：它是取決于粘性阻尼系數(shù)和駕駛桿移動(dòng)速度大小的摩擦力。

⑤彈簧力Fx：它是使駕駛桿回到中立位置或限制駕駛桿推力過(guò)大的彈簧力。

Kx—回中彈簧高度；

X—駕駛桿位移；

⑥止動(dòng)力Fl：當(dāng)駕駛桿到限定位置時(shí)給定一個(gè)止動(dòng)的感覺(jué)力。

由以上公式可見(jiàn)，這些數(shù)學(xué)模型描述了人感系統(tǒng)中飛行員的操作力與操作位移之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。對(duì)于采用助力器間接操作舵面的操作系統(tǒng)，作用在舵面上的力由助力器進(jìn)行平衡，而飛行員的桿力采用液壓載荷機(jī)構(gòu)或彈簧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于彈簧力和止動(dòng)力等在飛行模擬器上通過(guò)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型采用軟件模擬實(shí)現(xiàn)。

3.2 仿真軟件設(shè)計(jì)淺述

操縱負(fù)荷系統(tǒng)的仿真是在飛行模擬機(jī)上的操縱負(fù)荷仿真平臺(tái)中進(jìn)行的，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要用于俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航三個(gè)通道的計(jì)算。在高速微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)自身的實(shí)時(shí)管理軟件，管理來(lái)自各個(gè)接口通道的信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的建模與仿真程序。

全動(dòng)飛行模擬器是一個(gè)復(fù)雜的分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且數(shù)據(jù)處理量大。為此，仿真軟件的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足以下條件：

①要求操縱負(fù)荷系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確仿真真實(shí)系統(tǒng)中的高頻特性，高速專(zhuān)用微機(jī)系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)1000Hz～3000Hz的迭代頻率。

②具有實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜模型的解算功能，完成升降舵、方向舵和副翼三個(gè)通道仿真數(shù)據(jù)處理，計(jì)算舵偏角和模型桿力，相應(yīng)來(lái)自控制臺(tái)的命令，對(duì)操縱故障進(jìn)行仿真。

③能夠在線(xiàn)監(jiān)測(cè)操縱負(fù)荷系統(tǒng)三個(gè)通道是否工作正常，進(jìn)行故障診斷、故障預(yù)報(bào)并進(jìn)行技術(shù)處理。

④系統(tǒng)必須具有高的可靠性，性能受到外界影響必須小。

4 結(jié)論

操縱負(fù)荷系統(tǒng)的可靠性和可操縱性是全動(dòng)飛行模擬器的重要指標(biāo)之一。根據(jù)對(duì)飛機(jī)操縱系統(tǒng)的分析，闡明了全動(dòng)飛行模擬器的操縱負(fù)荷系統(tǒng)原理及工作流程，建立了操作負(fù)荷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，淺述了操縱負(fù)荷系統(tǒng)的仿真軟件設(shè)計(jì)。

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[2]劉長(zhǎng)華.應(yīng)用于飛行模擬器的電動(dòng)伺服加載系統(tǒng)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,19(05):38-40.

[3]徐鑫福,馮亞昌.飛機(jī)飛行操縱系統(tǒng)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1989:210-239.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.038