無人機拉索式發動機操縱系統精度特性及試驗研究

甘發金，汪洋，雷乾乾，徐志雄，蘭文博

(中國航天空氣動力技術研究院 彩虹無人機科技有限公司， 北京 100007)

0 引 言

拉索式發動機操縱系統用以調節發動機一系列與速度、高度、功率狀態等有關的參數，其性能影響著發動機的穩態和瞬態性能[1-2]。對于無人機，操縱系統一般布置在發動機艙內，無需像有人機跨越較長的路程，無人機操縱系統主動搖臂一般接受舵機指令輸出功率。

拉桿硬式操縱系統具有較佳的操縱靈敏性，但其鉸接點較多致使構造復雜且重量較大[3]，對于無人機來說維護性較差。更重要地，由于拉桿的剛體特性，致使舵機由于受發動機振動影響而縮短壽命[4]，可靠性大幅降低。

拉索式操縱系統構造簡單，重量較輕。操縱力是由鋼制拉索傳遞的，拉索柔性很大，可以在很大程度上削弱發動機振動對舵機的影響；并且拉索比較容易繞過機內設備和裝置，維護性大幅提高。

H.Bastida等[5]和Lu Zhong等[6]分別建立活塞發動機的控制策略，并仿真分析不同負載和擾動時間對操縱系統精度的影響；但沒有進行試驗研究；O.D.Lyantsev等[7]通過試驗，提出了基于加速模式的非線性發動機操縱系統動態模型，但缺乏對操縱系統精度特性的研究；臺春雷等[8]分析了鋼索張力值、系統分力、系統機械損傷對發動機油門操縱力的影響，但沒有得出定量的分析結論；A.Nassirharand等[9]建立了液體推進發動機混合比操縱系統的控制模型，并實際應用，但同樣也缺乏影響精度的因素試驗分析；L.E.Gettel等[10]和C.Enrico等[11]分別研究了柴油機操縱系統模型，但研究都僅限于負載和速度，并未研究其他影響因素；Huang Guojun等[12]與A.Dobryden等[13]分別研究了汽車發動機操縱系統的控制結構，主要基于傳感器與軟件，沒有分析操縱系統本體因素的影響；Mao Kejiu等[14]提出了發動機操縱控制系統的靜態和動態數學模型，但沒有試驗驗證。

本文在前人研究的基礎上，從單程精度、回程差和重復性精度三方面分析拉索式操縱系統的精度特性，結合試驗研究，得到彈簧力臂和剛度系數、拉索導向套路線布置以及拉索的長度等各因素對操縱系統精度的影響，并形成定量結論，以期為研制高精度拉索式操縱系統精度提供依據。

1 拉索式操縱系統原理及關鍵技術

以應用范圍廣泛的搖臂式拉索操縱系統為研究對象。典型的拉索式操縱系統組成如圖1所示[15]。主動搖臂由舵機驅動，從動搖臂為發動機自身的油門搖臂、選速搖臂或者混合比搖臂。拉索穿入帶孔的螺栓，并通過螺母與螺栓夾緊；螺栓與主動搖臂(從動搖臂)間使用軸承，保證拉索在螺栓孔的伸出方向不隨螺釘的轉動而轉動，始終保持水平，使得拉索不會出現彎折，以提高拉索的使用壽命。

圖1 拉索式操縱系統組成

為了使長距離的拉索在往復運動中不被其他零部件擦傷或者絆住，需安裝拉索導向套。導向套可在較大角度范圍自由彎曲，其兩端分別被托架限位，安裝完后不能沿自身軸向自由移動。

彈簧是拉索式操縱系統必不可少的部件，其一端與從動搖臂連接，連接點隨著從動搖臂轉動而轉動，另一端相對固定不動。彈簧在操縱行程范圍內始終處于被拉伸狀態。

當主動搖臂在舵機的驅動下，克服彈簧的拉力轉動從動搖臂時，從動搖臂為正向運動，定義為上行程；當在彈簧的回復力下驅動主動搖臂機構轉動時，從動搖臂為逆向運動，定義為下行程。若舵機不再發出指令，在彈簧回復力的作用下從動搖臂會保持在極限位置。實際使用中，若出現拉索連接意外斷開，從動搖臂能在彈簧回復力作用下保持在預設的極限位置，從而保證飛行安全。

2 操縱系統精度特性

操縱系統精度主要包含單程精度、回程差及重復性精度三個方面。在單次試驗中，主動搖臂轉動角度由舵機指令輸出，從動搖臂轉動角度由角度信號器反饋。為方便說明，本文作如下定義：

(1) 一次循環過程：一個上行程和一個下行程的完整過程；

(2) 單程控制精度：在上行程或下行程中，舵機的指令值與角度信號器反饋值的差值；

(3) 回程差：在同一舵機指令值時，角度信號器在上行程和下行程反饋值之差；

(4) 重復性精度：上行程或下行程時，不同循環過程中同一舵機指令值下，角度信號器反饋值之差。

操縱系統精度特性試驗的試驗設備主要包括：含操縱系統的發動機、發動機臺架以及發動機臺架試驗測控系統。

2.1 操縱系統試驗臺架

操縱系統試驗臺架是用來進行某型發動機操縱系統試驗的設備，其底座為具有足夠強度和剛度的鋼架結構，發動機通過發動機支架安裝于臺架底座上。上面安裝發動機拉索式操縱系統試驗件，為了獲得更真實的試驗數據，試驗件全部采用裝機件，這些裝機件的安裝方式、安裝精度與機上完全相同。操縱試驗臺可以完成發動機操縱系統精度靜態試驗、發動機操縱系統精度動態試驗以及操縱系統其他相關試驗。

操縱系統試驗臺架原理框圖如圖2所示。

圖2 操縱系統試驗臺架原理框圖

角度信號器用于實時測量操縱系統從動搖臂轉動角度，并反饋至上位機。舵控系統可以標定舵機、控制舵機輸出，并與上位機交互舵機信息。測控系統監測發動機各性能參數，并實時傳輸至上位機中。

2.2 操縱系統精度

發動機正常著車后，通過上位機發送舵機動作指令，從100%逐漸減小至0，再逐漸增加至100%，分別記錄對應時刻角度信號器反饋的數值。進行多次重復試驗，整理試驗結果并加以分析。

(1) 單程精度

在一個循環過程中，上行程單程精度與下行程單程精度如圖3所示。

圖3 操縱系統單程精度

從圖3可以看出：在一個循環過程中，上行程單程精度在1%～4%范圍內浮動，下行程單程精度在-3%～5%范圍內浮動，單程精度整體較高；上行程和下行程的單程精度都呈現出兩頭低，中間高的趨勢，這是由于主動搖臂與從動搖臂的運動為非線性關系，兩頭的非線性趨勢較中間范圍更明顯。

(2) 回程差

測得操縱系統的回程差如圖4所示。

圖4 操縱系統回程差

從圖4可以看出：操縱系統回程差在-1%～5%內浮動，在0～7%的行程范圍內，回程差范圍為0～5%，其余行程范圍，回程差范圍均不大于2%，回程差很小，能夠滿足發動機使用要求。

(3) 重復性精度

在相同試驗狀態下，先后重復測試了20次循環。發現操縱系統的一致性很好，即有著很高的重復性精度。選擇三組循環的上行程試驗數據繪制重復性精度曲線，如圖5所示。

圖5 操縱系統重復性精度

從圖5可以看出：不同循環過程中，同一行程范圍角度信號器反饋值誤差均不大于1%，說明拉索式操縱系統的重復性精度很高。

另一方面，數據顯示在0～7%范圍內的行程，角度信號器反饋值不隨舵機轉動而變化，始終保持在4%。試驗觀察到在此階段主動搖臂正常轉動，而從動搖臂沒有轉動，與此同時，在此階段，拉索始終保持著拉力，表明拉索的柔性導致操縱在0～7%的行程范圍從動搖臂沒有轉動。在所有試驗中，均復現此現象。將主動搖臂轉動而從動搖臂不動稱為拉索式操縱系統的死區，在一個單行程中存在死區是拉索式操縱系統精度的固有特性之一。

3 影響操縱系統精度的因素

不同應用場合的操縱系統需克服的阻力不同，其選用的彈簧也會有所不同；根據主動搖臂與從動搖臂的不同位置，拉索導向套的布置路線不完全相同，并且拉索的長度也可能不相同。針對這些變量因素，通過試驗分別研究它們對操縱系統精度特性的影響。

3.1 彈 簧

彈簧依靠其對從動搖臂的回復力矩實現拉索的回位。回復力矩取決于彈簧的力臂與剛度系數，本文試驗分別分析這兩個因素對操縱系統精度的影響。

保持操縱系統其他零部件狀態不變，僅改變彈簧力臂的大小。試驗共設兩組，兩組試驗力臂變化如圖6所示，1組的力臂值相對于2組先小后大。兩組的操縱系統回程差如圖7所示。

圖6 彈簧力臂變化圖

圖7 彈簧力臂對單程精度的影響

從圖7可以看出：兩組的角度信號器反饋值相差在1%之內，沒有呈現隨力臂變化的趨勢。上下行程的試驗結果均是相同的現象。因此，彈簧力臂的不同對操縱精度沒有影響。

為了測試彈簧剛度系數的影響，保持操縱系統其他零部件狀態不變，只更換不同剛度系數的彈簧。三根彈簧的剛度系數分別為2.7、3.7和5.0 N/mm，三組的試驗結果如圖8所示。

圖8 彈簧剛度系數對操縱精度的影響

從圖8可以看出：彈簧剛度系數從2.7變化到5.0 N/mm，操縱系統單程精度相差1%～5%，表明彈簧剛度系數的變化能影響操縱系統精度的高低，但影響很小。彈簧剛度系數越大，拉索承受的拉力也越大，拉索的使用壽命也會降低。因此，在能克服操縱系統阻力后，彈簧剛度系數應越小越好。

3.2 拉索導向套的路線布置

拉索導向套的路線布置取決于從動搖臂與主動搖臂的相對位置，從動搖臂安裝在發動機上，位置無法更改，主動搖臂與機身上的舵機相連，其位置可自行設計。根據從動搖臂與主動搖臂在機上橫向間距的不同設置兩種試驗狀態，1組中從動搖臂與主動搖臂的橫向間距為0，2組兩者橫向間距為300 mm。兩組中兩者的縱向間距均為550 mm，如圖9所示。

圖9 拉索導向套路線示意圖

兩組試驗狀態下，操縱系統回程差如圖10所示。

圖10 不同路線拉索導向套下的操縱精度

從圖10可以看出：1組的回程差均小于6%，在大部分行程范圍都小于4%；2組的回程差均大于6%，在小于20%的行程范圍內，回程差甚至接近10%，表明拉索導向套兩端的橫向間距對操縱系統精度有著較大的影響。在實際應用中，應通過設備布置盡可能地縮短拉索導向套兩端的橫向間距，以保證操縱系統的精度。

3.3 拉索長度

實際應用中，由于操縱系統舵機與發動機間間距不同，使用的拉索長度也不盡相同。為了研究拉索長度對操縱系統精度的影響，設置拉索長度不同的兩組試驗狀態。1組拉索長度為500 mm，2組拉索長度為260 mm，其他零部件狀態均相同。在行程范圍內，兩組的角度信號器反饋如圖11所示。

圖11 不同拉索長度時的操縱精度

從圖11可以看出：兩組試驗狀態下，角度信號器反饋值變化趨勢保持一致，兩者偏差值也較小。但1組的死區為0～7%，2組的死區為0～5%。說明縮短拉索長度有利于縮小死區范圍。這是因為拉索長度越長，在相同力的作用下，拉索的變形量越大，即需要主動搖臂轉動更大的角度來補償拉索的變形量。

4 結 論

(1) 拉索式操縱系統在正確地設計下，可達到較高的精度。單程精度小于5%，回程差在一個循環過程中，上行程單程精度在1%～4%范圍內浮動，下行程單程精度在-3%～5%范圍內浮動。在0～7%的死區范圍內，回程差范圍為0～5%，其余行程范圍，回程差范圍均不大于2%。重復性精度不大于1%。

(2) 由于拉索的柔性，在單行程中存在死區是拉索式操縱系統精度的固有特性，縮短拉索長度可縮小2%左右的死區范圍。

(3) 彈簧力臂的變化對操縱系統精度沒有影響，而剛度系數對精度有較小的影響，在能克服操縱系統阻力后，彈簧的剛度系數應越小越好。

(4) 拉索導向套兩端的橫向間距對操縱系統精度有著較大的影響，較大的橫向間距能使操縱系統回程差增至10%，實際應用中應盡可能縮短拉索導向套兩端的橫向間距。