SimulationX在教練機(jī)伺服作動子系統(tǒng)設(shè)計和研究中的應(yīng)用

鄧 歡，韓占朋，黃勇強(qiáng)，楊振聲，相 梅

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

目前電傳飛行控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各型號的飛機(jī)上，伺服作動子系統(tǒng)的動態(tài)性能和阻抗特性是整個電傳飛行控制系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它關(guān)系到飛機(jī)的飛行品質(zhì)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。

在電傳飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計、研制工作中，必須合理設(shè)計和計算伺服作動系統(tǒng)各個部件的參數(shù)，從而使系統(tǒng)在滿足總體設(shè)計的要求下性能最優(yōu)化。本文通過對某型飛機(jī)電傳飛控系統(tǒng)組成原理和工作狀態(tài)進(jìn)行分析，對其中的伺服作動子系統(tǒng)進(jìn)行研究和細(xì)化，使用SimulationX軟件對伺服作動子系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，重點(diǎn)對系統(tǒng)中的伺服閥進(jìn)行元件級的建模，分析了系統(tǒng)中各個部件對系統(tǒng)性能的影響，通過三維建模仿真了其中一個舵面的運(yùn)動，闡述了SimulationX在伺服作動子系統(tǒng)半物理仿真中的應(yīng)用。

1 伺服作動子系統(tǒng)的工作原理

伺服作動子系統(tǒng)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(chǎn)生操縱飛機(jī)縱向、橫向和航向運(yùn)動的機(jī)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(jī)械位移信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入至飛行控制計算機(jī)，同時，飛機(jī)的運(yùn)動信息（加速度、動靜壓、速度等）也會傳輸至飛行控制計算機(jī)，飛行控制計算機(jī)將輸入的電信號進(jìn)行計算處理，產(chǎn)生表決值來控制伺服作動子系統(tǒng)的作動器作出相應(yīng)的運(yùn)動，從而驅(qū)動相應(yīng)的舵面偏轉(zhuǎn)。飛控系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

2 基于SimulationX的伺服作動子系統(tǒng)的建模

伺服作動系統(tǒng)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(jī)械、電氣、液壓等專業(yè)結(jié)合的綜合性學(xué)科。伺服作動系統(tǒng)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(xué)科建模軟件，同時還可以與市面上主流軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。根據(jù)圖1的飛控系統(tǒng)原理圖，完成了飛控伺服作動子系統(tǒng)的建模，如圖2所示。

圖1 飛行控制系統(tǒng)原理圖

圖2 飛行系統(tǒng)伺服作動子系統(tǒng)建模

2.1 FMU模塊

圖2中①是基于Matlab Simulink與Rhapsody聯(lián)合模擬飛行控制計算機(jī)中控制伺服作動子系統(tǒng)的控制規(guī)律，它能根據(jù)輸入的馬赫數(shù)、攻角、起落架信號、BIT信號等參數(shù)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(jìn)回油，從而驅(qū)動舵面的偏轉(zhuǎn)，因SimulationX軟件與Matlab Simulink聯(lián)合仿真的接口是通過Matlab生成FMU模塊來實(shí)現(xiàn)。

2.2 伺服閥模塊

伺服閥是將控制信號轉(zhuǎn)換成液壓流量的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(dāng)伺服作動子系統(tǒng)發(fā)生故障時，飛行控制計算機(jī)發(fā)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(dú)建模，只需要將其部分參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對比后調(diào)整參數(shù)即可使用。

2.4 作動筒模型

作動筒通過液壓油的進(jìn)油、回油來實(shí)現(xiàn)活塞桿的伸出、縮進(jìn)進(jìn)而推動舵面的偏轉(zhuǎn)。伺服作動子系統(tǒng)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(tǒng)通過在作動筒活塞端安裝一個位移傳感器來監(jiān)控舵面的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，再將位移信號反饋給飛行控制計算機(jī)進(jìn)行位置比對，當(dāng)舵面位置達(dá)到了飛行控制計算機(jī)給定的位置時，作動筒活塞桿即停止運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了舵面位置的閉環(huán)控制。

2.6 3D顯示模塊

為了直觀的觀察舵面的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，SimulationX還可以通過與CATIA的聯(lián)合仿真，將CATIA里的三維模型，轉(zhuǎn)換成STL格式的文件導(dǎo)入到SimulationX中，軟件根據(jù)系統(tǒng)模型輸出的位置信號，可直接反應(yīng)到三維數(shù)模上，對應(yīng)的數(shù)模將參數(shù)相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，系統(tǒng)三維模型導(dǎo)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(tǒng)的模型基礎(chǔ)上，通過合理的選擇幾種典型工況對系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對飛控系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，并通過參數(shù)修正和模型修正，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。

3.1 伺服作動系統(tǒng)性能仿真

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

在進(jìn)行飛控伺服作動子系統(tǒng)仿真時，將作動筒的行程作為全局參數(shù)，將作動筒活塞直徑設(shè)置為60mm和70mm的兩個狀態(tài)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(tǒng)的影響

圖5 作動筒摩擦力對系統(tǒng)的影響

3.2 故障檢注入

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

圖6是正常情況下給系統(tǒng)輸入舵面偏轉(zhuǎn)30度的階躍指令后舵面的響應(yīng)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(yīng)圖。

圖6 舵機(jī)輸入與輸出信號

4 結(jié)論

通過飛控伺服作動系統(tǒng)仿真結(jié)果可以得出：系統(tǒng)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(tǒng)的影響相對較小，當(dāng)系統(tǒng)輸入信號中存在干擾時，舵面的偏轉(zhuǎn)會出現(xiàn)偏差，故在系統(tǒng)設(shè)計時要考慮過濾各方面的干擾對系統(tǒng)的影響。通過分析各個影響要素設(shè)置合理的參數(shù)，使整個系統(tǒng)性能最優(yōu)。