全動飛行模擬器操縱負荷系統(tǒng)原理及仿真設(shè)計淺述

鄧昌盛

（四川航空集團有限公司培訓(xùn)中心,成都 611731）

全動飛行模擬器操縱負荷系統(tǒng)原理及仿真設(shè)計淺述

鄧昌盛

（四川航空集團有限公司培訓(xùn)中心,成都 611731）

全動飛行模擬器的操縱負荷系統(tǒng)，它給提供飛行員操縱力感逼真度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到飛行模擬器中。論文討論了目前操縱負荷系統(tǒng)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)、工作流程、建模以及仿真軟件的設(shè)計。操縱負荷系統(tǒng)主要由主計算機，光纖式接口通道，操縱負荷控制組件，電源分配組件，數(shù)字式伺服驅(qū)動系統(tǒng)，傳感器組件，力伺服執(zhí)行系統(tǒng)等部分組成；仿真設(shè)計主要對駕駛桿桿力進行了建模，并對仿真軟件設(shè)計進行了淺要的分析。

飛行模擬器；操縱負荷系統(tǒng)；仿真軟件

1 概述

操縱負荷系統(tǒng)是全動飛行模擬器（FFS, Full Flight Simulator）的基本和重要的組成部分之一，應(yīng)用實時仿真技術(shù)，提供飛行員的操縱力感和過載感，逼真的對操縱負荷系統(tǒng)進行模擬將極大的提高飛行員的訓(xùn)練效果，其性能好壞將直接影響飛行模擬機等級評定。操縱負荷系統(tǒng)的原理和仿真是全動飛行模擬器操縱負荷系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。本文將重點研究操縱負荷系統(tǒng)的原理及仿真設(shè)計。

2 操縱負荷系統(tǒng)的原理

操縱控制系統(tǒng)包括主操縱系統(tǒng)和輔助操縱系統(tǒng)。其中，主操縱系統(tǒng)由副翼、水平尾翼和垂直尾翼組成，分別用于控制飛機的橫滾、俯仰和偏航運動。輔助操作系統(tǒng)由前輪轉(zhuǎn)彎操作裝置、剎車系統(tǒng)操作裝置、襟翼操作裝置和減速板操作裝置等組成。本文將主要介紹主操縱控制系統(tǒng)。

主操縱負荷系統(tǒng)由主計算機，HSSL光纖式接口通道，操縱負荷控制組件，電源分配組件，數(shù)字式伺服驅(qū)動系統(tǒng)，傳感器組件，力伺服執(zhí)行系統(tǒng)等組成。整個系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，增強系統(tǒng)的可靠性和真實性。原理圖2-1所示。

圖2-1

2.1 組成部件介紹

①主計算機：主要用于運行飛機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)飛機的飛行狀態(tài)及操縱模式的不同，計算偏差力。②光纖式接口通道：用于主計算機，操縱負荷控制組件及數(shù)字式伺服驅(qū)動器的高速通信。③操縱負荷控制組件：監(jiān)控操縱負荷系統(tǒng)的安全性、電壓正常、伺服閥正常等必需的接通邏輯，控制電源分配組件向伺服驅(qū)動系統(tǒng)和力伺服機構(gòu)的供電。④電源分配組件：向數(shù)字式伺服驅(qū)動系統(tǒng)和力伺服執(zhí)行機構(gòu)提供電源。⑤數(shù)字式伺服驅(qū)動系統(tǒng)：用于驅(qū)動力伺服執(zhí)行機構(gòu)的工作。⑥傳感器組件：位移傳感器采用高精度的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測駕駛桿等操作組件的位移和速度；壓力傳感器用于檢測駕駛桿等操縱組件末端輸出的力。⑦力伺服執(zhí)行機構(gòu)：電動式操縱負荷系統(tǒng)采用的是伺服電機作為其執(zhí)行機構(gòu)，主要是應(yīng)用伺服電機的力矩模式進行扭矩輸出控制。

2.2 工作流程原理

系統(tǒng)的閉環(huán)工作流程原理圖2-2所示。

圖2-2

①主計算機內(nèi)運行飛機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，該模型根據(jù)給定的飛機機型、飛行姿態(tài)、飛行模式等實際數(shù)據(jù)建立，并用高級語言編程實現(xiàn)。②當飛行員操縱駕駛桿時，壓力傳感器和位移傳感器實時采集到來自駕駛桿的操作力和操作位移，速度等模擬信號。③通過操縱負荷控制組件將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過光纖式通信接口將力、位移等信號傳遞回主計算機，在主計算機代入飛機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行計算，得到理論的輸出值。④該理論值通過光纖式接口通道輸出到操縱負荷控制組件，控制力伺服機構(gòu)執(zhí)行到指定的位移。⑤在整個過程中，操縱負荷控制組件控制電壓分配組件向數(shù)字式伺服驅(qū)動系統(tǒng)和力伺服執(zhí)行機構(gòu)的供電。

3 操縱負荷系統(tǒng)的仿真設(shè)計

全動飛行模擬器操縱負荷系統(tǒng)需要逼真地模擬飛行員在飛行中操縱駕駛飛機所感受到的力，為完成飛機操縱系統(tǒng)仿真，首先要建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型的建立是操縱負荷系統(tǒng)實時仿真的基礎(chǔ)，其模型的好壞直接影響到飛行模擬器的逼真程度。飛機的橫滾、俯仰和偏航運動的模型建立的基本原理相同，本文將以使用駕駛桿操縱升降舵的過程建立數(shù)學(xué)模型為例介紹。

3.1 升降舵操作系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

當飛行員通過駕駛桿操縱升降舵時，負載力主要由氣動力、慣性力、粘性摩擦力、庫侖摩擦力、彈簧力、止動力六個部分組成，即：,其中氣動力是飛行員所能感受到的主要載荷力。

②慣性力Fn：由于駕駛桿質(zhì)量不平衡，在飛機角加速度或過載情況下產(chǎn)生的慣性力。

N—縱向過載；

Kn1、K n2—等效比例系數(shù)；

③庫侖摩擦力Fn：它是取決于駕駛桿位移時速度的極性和摩擦力系數(shù)的常值摩擦力。當駕駛桿位移速度為正值，庫侖摩擦力為正值，駕駛桿位移速度為負值，庫侖摩擦力為負值。

④粘性摩擦力Fv：它是取決于粘性阻尼系數(shù)和駕駛桿移動速度大小的摩擦力。

⑤彈簧力Fx：它是使駕駛桿回到中立位置或限制駕駛桿推力過大的彈簧力。

Kx—回中彈簧高度；

X—駕駛桿位移；

⑥止動力Fl：當駕駛桿到限定位置時給定一個止動的感覺力。

由以上公式可見，這些數(shù)學(xué)模型描述了人感系統(tǒng)中飛行員的操作力與操作位移之間的動態(tài)關(guān)系。對于采用助力器間接操作舵面的操作系統(tǒng)，作用在舵面上的力由助力器進行平衡，而飛行員的桿力采用液壓載荷機構(gòu)或彈簧機構(gòu)實現(xiàn)，因此對于彈簧力和止動力等在飛行模擬器上通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型采用軟件模擬實現(xiàn)。

3.2 仿真軟件設(shè)計淺述

操縱負荷系統(tǒng)的仿真是在飛行模擬機上的操縱負荷仿真平臺中進行的，該系統(tǒng)設(shè)計包括硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計，主要用于俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航三個通道的計算。在高速微機系統(tǒng)內(nèi)，通過自身的實時管理軟件，管理來自各個接口通道的信息，實現(xiàn)實時系統(tǒng)的建模與仿真程序。

全動飛行模擬器是一個復(fù)雜的分布式實時仿真系統(tǒng)，對實時性要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且數(shù)據(jù)處理量大。為此，仿真軟件的設(shè)計必須滿足以下條件：

①要求操縱負荷系統(tǒng)能夠準確仿真真實系統(tǒng)中的高頻特性，高速專用微機系統(tǒng)必須實現(xiàn)1000Hz～3000Hz的迭代頻率。

②具有實現(xiàn)各種復(fù)雜模型的解算功能，完成升降舵、方向舵和副翼三個通道仿真數(shù)據(jù)處理，計算舵偏角和模型桿力，相應(yīng)來自控制臺的命令，對操縱故障進行仿真。

③能夠在線監(jiān)測操縱負荷系統(tǒng)三個通道是否工作正常，進行故障診斷、故障預(yù)報并進行技術(shù)處理。

④系統(tǒng)必須具有高的可靠性，性能受到外界影響必須小。

4 結(jié)論

操縱負荷系統(tǒng)的可靠性和可操縱性是全動飛行模擬器的重要指標之一。根據(jù)對飛機操縱系統(tǒng)的分析，闡明了全動飛行模擬器的操縱負荷系統(tǒng)原理及工作流程，建立了操作負荷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，淺述了操縱負荷系統(tǒng)的仿真軟件設(shè)計。

[1]王行仁.飛行實時仿真系統(tǒng)及技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998:119-125.

[2]劉長華.應(yīng)用于飛行模擬器的電動伺服加載系統(tǒng)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報,2005,19(05):38-40.

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.038