基于LVDT信號(hào)注入的力紛爭(zhēng)試驗(yàn)方法研究

金學(xué)良

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201200)

民用飛機(jī)一般配置多余度作動(dòng)系統(tǒng)來(lái)提高電傳飛控系統(tǒng)的可靠性和安全性［1］。由于多余度作動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式不同以及元部件的制造和安裝誤差積累，可能會(huì)導(dǎo)致控制同一舵面的不同作動(dòng)器位移輸出不同步，繼而導(dǎo)致同一舵面的不同作動(dòng)器間相互抗?fàn)?，這種現(xiàn)象稱為力紛爭(zhēng)現(xiàn)象。力紛爭(zhēng)現(xiàn)象將導(dǎo)致操縱舵面的扭曲，引起舵面的疲勞破壞，嚴(yán)重時(shí)危及飛行安全。因此，飛控系統(tǒng)設(shè)置了力紛爭(zhēng)控制律來(lái)減緩或消除力紛爭(zhēng)現(xiàn)象。為了確定力紛爭(zhēng)控制律的設(shè)計(jì)是否滿足系統(tǒng)要求，必須采用試驗(yàn)方法加以驗(yàn)證。

為了驗(yàn)證飛控系統(tǒng)的力紛爭(zhēng)控制律，本文設(shè)計(jì)了一種力紛爭(zhēng)試驗(yàn)方法，即在系統(tǒng)的位置反饋回路中注入不同步指令來(lái)實(shí)現(xiàn)力紛爭(zhēng)。

1 力紛爭(zhēng)試驗(yàn)方法

力紛爭(zhēng)試驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的正確性、評(píng)價(jià)力紛爭(zhēng)控制律的優(yōu)良，也是民用飛機(jī)適航驗(yàn)證試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。力紛爭(zhēng)控制律集成在飛控計(jì)算機(jī)中，主要包括力紛爭(zhēng)均衡和力紛爭(zhēng)監(jiān)控兩部分，用來(lái)減緩或消除力紛爭(zhēng)現(xiàn)象。

定義控制同一舵面的多作動(dòng)器間的兩腔壓力差之差為DDP，力紛爭(zhēng)控制律設(shè)置了DDP監(jiān)控的幅值門限P1和P2、次數(shù)門限值N和時(shí)間門限T。當(dāng)DDP超過(guò)門限值P1并保持T時(shí)，或當(dāng)DDP超過(guò)門限值P2并累計(jì)到N次時(shí)，力紛爭(zhēng)監(jiān)控器觸發(fā)，飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令切換作動(dòng)器工作模式，由主動(dòng)模式變?yōu)楸粍?dòng)模式，只保留一個(gè)主動(dòng)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)舵面，從而消除舵面作動(dòng)器間的力紛爭(zhēng)。

力紛爭(zhēng)的試驗(yàn)通常是對(duì)同一控制面的多個(gè)作動(dòng)器輸入不同步指令來(lái)制造力紛爭(zhēng)。對(duì)于分布式數(shù)字電傳飛控系統(tǒng)，如圖1所示，采用遠(yuǎn)程控制電子對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行直接控制，飛控電子和遠(yuǎn)程控制電子之間通過(guò)數(shù)據(jù)總線連接。每個(gè)作動(dòng)器上安裝LVDT位置傳感器來(lái)檢測(cè)作動(dòng)器的輸出位移，并反饋給對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程控制電子，形成位置控制閉環(huán)。

圖1 LVDT信號(hào)注入原理

對(duì)于這種分布式數(shù)字電傳飛控系統(tǒng)，若從駕駛艙對(duì)兩個(gè)作動(dòng)器注入不同步指令，由于飛控電子內(nèi)部的表決機(jī)制及監(jiān)控邏輯，不同步的控制指令將無(wú)法傳輸?shù)阶鲃?dòng)系統(tǒng)。因此，提出了一種在作動(dòng)器LVDT位置反饋上迭加控制指令的信號(hào)注入方式，通過(guò)LVDT注入設(shè)備，在斷線盒處注入控制指令，使得舵面的兩個(gè)作動(dòng)器的控制指令產(chǎn)生差值，從而產(chǎn)生力紛爭(zhēng)。安裝在作動(dòng)器上的壓差傳感器將作動(dòng)器的兩腔壓差信號(hào)反饋給遠(yuǎn)程控制電子，再通過(guò)數(shù)據(jù)總線反饋給飛控電子，判斷力紛爭(zhēng)監(jiān)控器是否觸發(fā)。

2 力紛爭(zhēng)試驗(yàn)仿真

2.1 系統(tǒng)建模

現(xiàn)代民用飛機(jī)的作動(dòng)系統(tǒng)都是多余度的，其液壓部分是一個(gè)閥控液壓缸系統(tǒng)，以雙余度作動(dòng)系統(tǒng)為例，使用AMESim軟件建模，如圖2所示。其工作原理為：控制指令通過(guò)相同的增益環(huán)節(jié)K發(fā)送指令給兩個(gè)作動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)作動(dòng)器共同控制舵面運(yùn)動(dòng)。用位移傳感器把液壓缸的位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并與給定的位移信號(hào)進(jìn)行比較后輸出閉環(huán)控制的誤差信號(hào)，所得到的誤差通過(guò)PID校正環(huán)節(jié)后驅(qū)動(dòng)伺服閥動(dòng)作，以此接通或切斷液壓缸的液壓油供應(yīng)并改變供油方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸位移的大小和方向的控制。在其中一個(gè)控制通道，通過(guò)注入外部信號(hào)來(lái)改變液壓缸的位移控制指令，使得兩個(gè)通道作動(dòng)器輸出位移不一致，同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)作動(dòng)器的兩腔壓力差，監(jiān)控DDP狀態(tài)，判斷系統(tǒng)是否觸發(fā)力紛爭(zhēng)監(jiān)控。

圖2 力紛爭(zhēng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 仿真分析

力紛爭(zhēng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆抡娼Y(jié)果如圖3，4所示。由圖可知，在對(duì)系統(tǒng)注入很小的偏差信號(hào)時(shí)，作動(dòng)器兩腔壓差變化較大。假設(shè)力紛爭(zhēng)幅值監(jiān)控門限為P1，次數(shù)監(jiān)控門限為N，當(dāng)監(jiān)控到DDP第三次超過(guò)P1后，系統(tǒng)監(jiān)控器將觸發(fā)。

圖3 壓差仿真結(jié)果

圖4 系統(tǒng)輸入偏差及輸出邏輯

設(shè)置輸入偏差信號(hào)為長(zhǎng)周期方波信號(hào)，當(dāng)DDP大于力紛爭(zhēng)監(jiān)控器的幅值門限P2時(shí)，系統(tǒng)輸出為1，如圖5，6所示。當(dāng)輸出信號(hào)1的持續(xù)時(shí)間大于力紛爭(zhēng)監(jiān)控器的時(shí)間門限T時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)力紛爭(zhēng)監(jiān)控。

圖5 壓差DDP仿真結(jié)果

圖6 長(zhǎng)周期方波輸入及輸出邏輯

由仿真結(jié)果可知，在作動(dòng)系統(tǒng)位置反饋信號(hào)處注入偏差指令可以觸發(fā)力紛爭(zhēng)監(jiān)控。由于飛機(jī)作動(dòng)器的位置傳感器通常采用線性可變差動(dòng)傳感器(LVDT)，為了在LVDT傳感器上注入位置偏差，需要了一種力紛爭(zhēng)試驗(yàn)裝置來(lái)支持力紛爭(zhēng)試驗(yàn)。

3 力紛爭(zhēng)試驗(yàn)裝置

采用LVDT信號(hào)注入裝置在作動(dòng)器的位置反饋處對(duì)余度作動(dòng)器注入不同步指令，如圖7所示，裝置串聯(lián)在作動(dòng)器LVDT傳感器與遠(yuǎn)程控制電子之間。LVDT信號(hào)注入裝置不打斷激勵(lì)信號(hào)，只針對(duì)反饋信號(hào)做處理。利用位于傳感器后的2路AD采集通道，采集傳感器輸出的2路交流差動(dòng)電壓信號(hào)，利用已知的傳感器靈敏度系數(shù)或者傳感器的輸出特性曲線，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得到傳感器的位移量，從上位機(jī)發(fā)出偏差指令迭加到已檢測(cè)的位移量上，再利用2路D/A通道輸向遠(yuǎn)程控制電子。

圖7 LVDT信號(hào)注入裝置原理

a．信號(hào)調(diào)理：將傳感器輸出的交流差動(dòng)電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換為與傳感器位移成線性關(guān)系的直流電壓量。

b．信號(hào)采集：A/D采集板卡對(duì)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理之后的直流電壓信號(hào)進(jìn)行采集。

c．?dāng)?shù)字解調(diào)：在已知傳感器輸出特性曲線時(shí)，只需要獲得傳感器2路交流反饋信號(hào)電壓的有效值即可求得其位移量［2］。

d．信號(hào)注入：通過(guò)上位機(jī)可以將偏差指令發(fā)送給下位機(jī)(嵌入式實(shí)時(shí)處理器)，下位機(jī)將偏差指令迭加到已解算的作動(dòng)器位置反饋信號(hào)上，并通過(guò)DA板卡輸出到遠(yuǎn)程控制電子。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于LVDT信號(hào)注入的力紛爭(zhēng)試驗(yàn)方法，并通過(guò)AMESim建模仿真驗(yàn)證了該試驗(yàn)方法的可行性。為了在實(shí)際工程中應(yīng)用該力紛爭(zhēng)試驗(yàn)方法，提出了一種LVDT信號(hào)注入的實(shí)現(xiàn)方案，能夠滿足力紛爭(zhēng)試驗(yàn)的需求。此種試驗(yàn)方法在工程領(lǐng)域具有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 劉林，郭恩友．靈巧式舵機(jī)并行驅(qū)動(dòng)的研究［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，22(2)：137-170．

［2］ 李飛，張勇，陳慧琴．交流差動(dòng)變壓器式位移傳感器數(shù)字調(diào)理方法［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2011(1)：84-85．