基于AMESim的駕駛員操縱裝置阻尼特性研究

許志林，傅 強(qiáng)，萬 明

（1.中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024；2.駐320廠軍事代表室，江西 南昌330024）

0 引 言

在電傳飛行控制系統(tǒng)中，對(duì)駕駛員操縱裝置的阻尼比提出了明確要求，國軍標(biāo)要求阻尼比ζ一般應(yīng)在0.5~1之間。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，針對(duì)阻尼器阻尼比的參數(shù)設(shè)定，需要通過繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算來分析合理的值，且需要反復(fù)進(jìn)行迭代，數(shù)據(jù)量較大，很容易出錯(cuò)。本文利用LMS Imagine.Lab AMESim仿真軟件對(duì)某一設(shè)定的駕駛員操縱裝置進(jìn)行建模及仿真分析。

1 駕駛員操縱裝置參數(shù)要求

本文列舉任意一例駕駛員操縱裝置的橫向操縱部分參數(shù)，進(jìn)行仿真分析。理論參數(shù)假定設(shè)置如下：

啟動(dòng)力（操縱點(diǎn)處）：8N；

橫向最大操縱力：±50N；

阻尼比ζ：0.5~0.85

橫向最大操縱位移（操縱點(diǎn)處）：±50mm；

橫向操縱點(diǎn)至橫向載荷機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比：230mm/ 60mm；

橫向操縱點(diǎn)至橫向阻尼器的傳動(dòng)比：230mm/ 60mm；

駕駛桿手柄/傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等等效至操縱點(diǎn)的質(zhì)量：2 kg。

2 系統(tǒng)建模

駕駛員操縱裝置主要由駕駛桿手柄、傳動(dòng)桿系、載荷機(jī)構(gòu)和阻尼器等組成，建立如圖1所示的系統(tǒng)模型，輸入信號(hào)1模擬給駕駛桿提供的一個(gè)初始力，使駕駛桿保持在橫向最大操縱位移處，在第1秒的時(shí)候開始釋放。階躍信號(hào)初始值設(shè)置為60，階躍值為0，階躍時(shí)間為1s。

等效質(zhì)量塊2為具有摩擦力和限位裝置的模型，模擬限位裝置、啟動(dòng)力（摩擦力）和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣量。等效質(zhì)量塊2的參數(shù)設(shè)置為：

質(zhì)量：2kg；

圖1 駕駛員操縱裝置建模

庫侖摩擦力：0.5N；

靜摩擦力：0.5N；

最低限制位移：-50mm；

最高限制位移：50mm；

其他值為默認(rèn)值。

等效傳動(dòng)桿系3為模擬駕駛員操縱裝置的傳動(dòng)比，L1端臂長(zhǎng)設(shè)為230mm，L2端臂長(zhǎng)設(shè)為60mm。

阻尼器4和等效彈簧載荷機(jī)構(gòu)5共同組成駕駛員操縱裝置的人感系統(tǒng)。等效彈簧載荷機(jī)構(gòu)5的相關(guān)參數(shù)根據(jù)橫向操縱參數(shù)計(jì)處獲得。

3 阻尼器阻尼系數(shù)確定

阻尼器的阻尼系數(shù)一般為可調(diào)節(jié)值，為了使阻尼器的可調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置于最佳區(qū)間，現(xiàn)使用批處理的方法來進(jìn)行仿真分析。阻尼器阻尼系數(shù)的初步批處理數(shù)值見表1。操縱點(diǎn)T的批處理仿真結(jié)果見圖2所示。

表1 阻尼系數(shù)的初步批處理數(shù)值 單位：N/(m/s）

圖2 不同阻尼系數(shù)時(shí)的操縱點(diǎn)T批處理仿真時(shí)域曲線

根據(jù)超調(diào)量σ與阻尼比ζ的關(guān)系式：

得：

利用AMESim后處理功能，得出變阻尼系數(shù)情況下的系統(tǒng)阻尼比結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)后處理結(jié)果可得出，在給定的條件下，阻尼器的阻尼系數(shù)范圍在600~750 N/(m/s）之間時(shí)，可實(shí)現(xiàn)阻尼比在0.5左右；阻尼器的阻尼系數(shù)在1950 N/ (m/s）左右時(shí)，可實(shí)現(xiàn)阻尼比為0.85。

再通過縮小間隙，分別求解兩極限值的的阻尼比，可知，阻尼比為0.5時(shí)，阻尼器的阻尼系數(shù)為670 N/(m/s）；阻尼比為0.85時(shí)，阻尼器的阻尼系數(shù)為1880 N/(m/s）。因此，在其他條件一定的情況下，當(dāng)阻尼器的阻尼系數(shù)在670 N/(m/s）～1880 N/(m/s）之間時(shí)，系統(tǒng)阻尼比在0.5～0.85之間，系統(tǒng)的阻尼比隨著阻尼器的阻尼系數(shù)的增大而增加。

圖3 不同阻尼系數(shù)后處理阻尼比結(jié)果

4 系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)阻尼特性的影響分析

前面已對(duì)既定的模型分析得出了比較合理的阻尼系數(shù)范圍，本節(jié)設(shè)定阻尼系數(shù)為一給定常量800N/ (m/s)，將等效質(zhì)量列為變量來分析質(zhì)量變化對(duì)阻尼特性的影響，等效質(zhì)量的批處理數(shù)值見表2，批處理仿真時(shí)域曲線見圖4。

利用AMESim的后處理功能，得出變等效質(zhì)量情況下的系統(tǒng)阻比如圖5所示。

綜合時(shí)域曲線和后處理結(jié)果可知，在阻尼系數(shù)為恒值時(shí)，系統(tǒng)阻尼比隨著系統(tǒng)等效質(zhì)量 （轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）的增加而減小。

表2 等效質(zhì)量的批處理數(shù)值 單位：kg

圖4 變等效質(zhì)量的操縱點(diǎn)T批處理仿真時(shí)域曲線

5 系統(tǒng)摩擦力對(duì)阻尼特性的影響分析

5.1 系統(tǒng)靜摩擦力對(duì)阻尼特性的影響分析

設(shè)定阻尼系數(shù)為一給定常量800N/(m/s)，等效質(zhì)量也為一給定常量2kg，動(dòng)摩擦力設(shè)為0.5N，靜摩擦力列為變量，分析靜摩擦力變化對(duì)阻尼特性的影響，靜摩擦力的批處理數(shù)值見表3（批處理參數(shù)值設(shè)置時(shí)考慮了靜摩擦力不應(yīng)小于動(dòng)摩擦力），批處理仿真時(shí)域曲線見圖6。

利用AMESim的后處理功能，得出變靜摩擦力情況下的系統(tǒng)阻比如圖7所示。

圖5 變等效質(zhì)量后處理阻尼比結(jié)果

表3 靜摩擦力的批處理數(shù)值單位：N

圖6 變靜摩擦力的操縱點(diǎn)T批處理時(shí)域曲線

由批處理的時(shí)域曲線和后處理結(jié)果可知，在其他參數(shù)為恒值時(shí)，在系統(tǒng)靜摩擦力逐漸增加的過程中，系統(tǒng)阻尼比不發(fā)生變化。

圖7 變靜摩擦力后處理結(jié)果

5.2 系統(tǒng)靜摩擦力對(duì)阻尼特性的影響分析

設(shè)定阻尼系數(shù)為一給定常量800N/(m/s)，等效質(zhì)量也為一給定常量2kg，靜摩擦力設(shè)為5N，動(dòng)摩擦力列為變量，分析動(dòng)摩擦力變化對(duì)阻尼特性的影響，動(dòng)摩擦力的批處理數(shù)值見表4（批處理參數(shù)值設(shè)置時(shí)考慮了靜摩擦力不應(yīng)小于動(dòng)摩擦力），批處理仿真結(jié)果見圖8。

利用AMESim的后處理功能，得出變動(dòng)摩擦力情況下的系統(tǒng)阻尼比如圖9所示。

由批處理的時(shí)域曲線和后處理結(jié)果可知，在其他參數(shù)為恒值時(shí)，系統(tǒng)阻尼比隨著動(dòng)摩擦力的增加而增加。

表4 動(dòng)摩擦力的批處理數(shù)值 單位：N

圖8 變動(dòng)摩擦力的操縱點(diǎn)T批處理時(shí)域曲線

圖9 變動(dòng)摩擦力后處理結(jié)果

6 系統(tǒng)啟動(dòng)力（預(yù)載）對(duì)阻尼特性的影響分析

設(shè)定阻尼系數(shù)為一給定常量800N/(m/s)，等效質(zhì)量為一給定常量2kg，靜摩擦力設(shè)為0.5N，動(dòng)摩擦力也為0.5N，分析啟動(dòng)力變化對(duì)阻尼特性的影響，啟動(dòng)力的仿真數(shù)值見表5。

仿真結(jié)果見圖10,利用AMESim的后處理功能，得出變啟動(dòng)力情況下的系統(tǒng)阻比如表6所示。

由仿真結(jié)果可知，在其他參數(shù)為恒值時(shí)，系統(tǒng)阻尼比隨著啟動(dòng)力的增加而逐漸減小。

表5 啟動(dòng)力的仿真數(shù)值 單位：N

7 結(jié) 論

本文研究了一種利用AMESim軟件提供快速建模仿真分析駕駛員操縱裝置的阻尼器參數(shù)的方法，在系統(tǒng)其他參數(shù)恒定的情況下，駕駛員操縱裝置的系統(tǒng)阻尼比：

1）隨系統(tǒng)質(zhì)量的增加而增加；

圖10 變啟動(dòng)力（操縱點(diǎn)T）仿真分析

表6 變啟動(dòng)力的仿真結(jié)果

2）隨阻尼器阻尼系數(shù)的增加而增加；

3）與系統(tǒng)的靜摩擦力無關(guān)；

4）隨系統(tǒng)動(dòng)摩擦力的增加而增加；

5）隨系統(tǒng)動(dòng)啟動(dòng)力的增加而減小。

[1]王永熙.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 第12冊(cè).飛行控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：航空工業(yè)出版社，2003.

[2]胡壽松.自動(dòng)控制原理.北京：科學(xué)出版社，2001.

[3]付永領(lǐng),祁曉野.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊(cè).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.