SimulationX在教練機伺服作動子系統設計和研究中的應用

鄧 歡，韓占朋，黃勇強，楊振聲，相 梅

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

目前電傳飛行控制系統已廣泛應用于各型號的飛機上，伺服作動子系統的動態性能和阻抗特性是整個電傳飛行控制系統的重要指標，它關系到飛機的飛行品質和系統的穩定性[1]。

在電傳飛行控制系統的設計、研制工作中，必須合理設計和計算伺服作動系統各個部件的參數，從而使系統在滿足總體設計的要求下性能最優化。本文通過對某型飛機電傳飛控系統組成原理和工作狀態進行分析，對其中的伺服作動子系統進行研究和細化，使用SimulationX軟件對伺服作動子系統進行了仿真，重點對系統中的伺服閥進行元件級的建模，分析了系統中各個部件對系統性能的影響，通過三維建模仿真了其中一個舵面的運動，闡述了SimulationX在伺服作動子系統半物理仿真中的應用。

1 伺服作動子系統的工作原理

伺服作動子系統的原理圖如圖1所示，飛行員通過前推、后拉駕駛桿或左、右壓駕駛桿和左、右蹬腳蹬，產生操縱飛機縱向、橫向和航向運動的機械指令，然后通過縱向位移傳感器、橫向位移傳感器和腳蹬位移傳感器將機械位移信號轉換成電信號輸入至飛行控制計算機，同時，飛機的運動信息（加速度、動靜壓、速度等）也會傳輸至飛行控制計算機，飛行控制計算機將輸入的電信號進行計算處理，產生表決值來控制伺服作動子系統的作動器作出相應的運動，從而驅動相應的舵面偏轉。飛控系統組成原理如圖1所示。

2 基于SimulationX的伺服作動子系統的建模

伺服作動系統包含控制輸入，傳感器、伺服閥、作動器、舵面等部分，它是一個涉及機械、電氣、液壓等專業結合的綜合性學科。伺服作動系統的仿真需要一款能在一個平臺上建模的軟件，SimulationX即是一款多學科建模軟件，同時還可以與市面上主流軟件進行聯合仿真。根據圖1的飛控系統原理圖，完成了飛控伺服作動子系統的建模，如圖2所示。

圖1 飛行控制系統原理圖

圖2 飛行系統伺服作動子系統建模

2.1 FMU模塊

圖2中①是基于Matlab Simulink與Rhapsody聯合模擬飛行控制計算機中控制伺服作動子系統的控制規律，它能根據輸入的馬赫數、攻角、起落架信號、BIT信號等參數解算出控制指令，輸出到液壓伺服閥來控制閥口的開閉，從而控制液壓油的進回油，從而驅動舵面的偏轉，因SimulationX軟件與Matlab Simulink聯合仿真的接口是通過Matlab生成FMU模塊來實現。

2.2 伺服閥模塊

伺服閥是將控制信號轉換成液壓流量的主要執行機構，伺服閥是由電磁線圈、噴嘴擋板、閥芯、反饋等部分組成。

2.3 電磁閥模塊

電磁閥的作用是當伺服作動子系統發生故障時，飛行控制計算機發出信號將伺服閥的閥口鎖死以起到故障鎖定的作用，因SimulationX元件庫中已包含該元件，故不用單獨建模，只需要將其部分參數與實際參數對比后調整參數即可使用。

2.4 作動筒模型

作動筒通過液壓油的進油、回油來實現活塞桿的伸出、縮進進而推動舵面的偏轉。伺服作動子系統模型中是由兩個相同的作動筒來推動舵面的，兩個作動筒同時由同一個伺服閥供壓。

2.5 位置反饋模型

系統通過在作動筒活塞端安裝一個位移傳感器來監控舵面的偏轉狀態，再將位移信號反饋給飛行控制計算機進行位置比對，當舵面位置達到了飛行控制計算機給定的位置時，作動筒活塞桿即停止運動，從而實現了舵面位置的閉環控制。

2.6 3D顯示模塊

為了直觀的觀察舵面的偏轉狀態，SimulationX還可以通過與CATIA的聯合仿真，將CATIA里的三維模型，轉換成STL格式的文件導入到SimulationX中，軟件根據系統模型輸出的位置信號，可直接反應到三維數模上，對應的數模將參數相應的偏轉，系統三維模型導入后如圖3所示。

圖3 舵面三維顯示

3 仿真與分析

在所建立的飛控伺服作動子系統的模型基礎上，通過合理的選擇幾種典型工況對系統的性能進行仿真，根據仿真結果對飛控系統的性能進行分析，并通過參數修正和模型修正，實現系統性能的優化。

3.1 伺服作動系統性能仿真

飛控伺服作動子系統性能主要受輸入的電信號，伺服閥和作動筒的參數性能以及機械連接部件（包括舵面）等的特性影響。

在進行飛控伺服作動子系統仿真時，將作動筒的行程作為全局參數，將作動筒活塞直徑設置為60mm和70mm的兩個狀態下以及作動筒摩擦力，對作動筒行程的影響如圖4和圖5所示。

圖4 作動筒直徑對系統的影響

圖5 作動筒摩擦力對系統的影響

3.2 故障檢注入

為分析內外部因素對飛控伺服作動子系統的影響，可在模型中注入相應的故障因素，通過分析輸出的曲線來驗證故障，模型故障注入對分析真實系統的故障提供了快捷的分析檢測方法，同時能夠降低在系統中注入故障因素對系統部件的損耗。

圖6是正常情況下給系統輸入舵面偏轉30度的階躍指令后舵面的響應圖、圖7是在原有的階躍信號中加入一個低頻（頻率為1hz，幅值為±1）的干擾信號后舵面的輸出響應圖。

圖6 舵機輸入與輸出信號

4 結論

通過飛控伺服作動系統仿真結果可以得出：系統中作動筒直徑越小，舵面對輸入指令的跟隨性越好，作動筒的摩擦力對系統的影響相對較小，當系統輸入信號中存在干擾時，舵面的偏轉會出現偏差，故在系統設計時要考慮過濾各方面的干擾對系統的影響。通過分析各個影響要素設置合理的參數，使整個系統性能最優。