SimulationX在教練機(jī)伺服作動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)的飛機(jī)上，伺服作動(dòng)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和阻抗特性是整個(gè)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(jì)、研制工作中，必須合理設(shè)計(jì)和計(jì)算伺服作動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件的參數(shù)，從而使系統(tǒng)在滿足總體設(shè)計(jì)的要求下性能最優(yōu)化。本文通過(guò)對(duì)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(duì)其中的伺服作動(dòng)子系統(tǒng)進(jìn)行研究和細(xì)化，使用SimulationX軟件對(duì)伺服作動(dòng)子系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中的伺服閥進(jìn)行元件級(jí)的建模，分析了系統(tǒng)中各個(gè)部件對(duì)系統(tǒng)性能的影響，通過(guò)三維建模仿真了其中一個(gè)舵面的運(yùn)動(dòng)，闡述了SimulationX在伺服作動(dòng)子系統(tǒng)半物理仿真中的應(yīng)用。

1 伺服作動(dòng)子系統(tǒng)的工作原理

伺服作動(dòng)子系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，飛行員通過(guò)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(dòng)的機(jī)械指令，然后通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入至飛行控制計(jì)算機(jī)，同時(shí)，飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息（加速度、動(dòng)靜壓、速度等）也會(huì)傳輸至飛行控制計(jì)算機(jī)，飛行控制計(jì)算機(jī)將輸入的電信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，產(chǎn)生表決值來(lái)控制伺服作動(dòng)子系統(tǒng)的作動(dòng)器作出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)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(dòng)子系統(tǒng)的建模

伺服作動(dòng)系統(tǒng)包含控制輸入，傳感器、伺服閥、作動(dòng)器、舵面等部分，它是一個(gè)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(dòng)系統(tǒng)的仿真需要一款能在一個(gè)平臺(tái)上建模的軟件，SimulationX即是一款多學(xué)科建模軟件，同時(shí)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(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)中控制伺服作動(dòng)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(hào)、BIT信號(hào)等參數(shù)解算出控制指令，輸出到液壓伺服閥來(lái)控制閥口的開(kāi)閉，從而控制液壓油的進(jìn)回油，從而驅(qū)動(dòng)舵面的偏轉(zhuǎn)，因SimulationX軟件與Matlab Simulink聯(lián)合仿真的接口是通過(guò)Matlab生成FMU模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 伺服閥模塊

伺服閥是將控制信號(hào)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(dòng)子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，飛行控制計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)將伺服閥的閥口鎖死以起到故障鎖定的作用，因SimulationX元件庫(kù)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(duì)比后調(diào)整參數(shù)即可使用。

2.4 作動(dòng)筒模型

作動(dòng)筒通過(guò)液壓油的進(jìn)油、回油來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞桿的伸出、縮進(jìn)進(jìn)而推動(dòng)舵面的偏轉(zhuǎn)。伺服作動(dòng)子系統(tǒng)模型中是由兩個(gè)相同的作動(dòng)筒來(lái)推動(dòng)舵面的，兩個(gè)作動(dòng)筒同時(shí)由同一個(gè)伺服閥供壓。

2.5 位置反饋模型

系統(tǒng)通過(guò)在作動(dòng)筒活塞端安裝一個(gè)位移傳感器來(lái)監(jiān)控舵面的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，再將位移信號(hào)反饋給飛行控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行位置比對(duì)，當(dāng)舵面位置達(dá)到了飛行控制計(jì)算機(jī)給定的位置時(shí)，作動(dòng)筒活塞桿即停止運(yùn)動(dòng)，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(guò)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(hào)，可直接反應(yīng)到三維數(shù)模上，對(duì)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(dòng)子系統(tǒng)的模型基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的選擇幾種典型工況對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)飛控系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，并通過(guò)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(dòng)系統(tǒng)性能仿真

飛控伺服作動(dòng)子系統(tǒng)性能主要受輸入的電信號(hào)，伺服閥和作動(dòng)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(dòng)子系統(tǒng)仿真時(shí)，將作動(dòng)筒的行程作為全局參數(shù)，將作動(dòng)筒活塞直徑設(shè)置為60mm和70mm的兩個(gè)狀態(tài)下以及作動(dòng)筒摩擦力，對(duì)作動(dòng)筒行程的影響如圖4和圖5所示。

圖4 作動(dòng)筒直徑對(duì)系統(tǒng)的影響

圖5 作動(dòng)筒摩擦力對(duì)系統(tǒng)的影響

3.2 故障檢注入

為分析內(nèi)外部因素對(duì)飛控伺服作動(dòng)子系統(tǒng)的影響，可在模型中注入相應(yīng)的故障因素，通過(guò)分析輸出的曲線來(lái)驗(yàn)證故障，模型故障注入對(duì)分析真實(shí)系統(tǒng)的故障提供了快捷的分析檢測(cè)方法，同時(shí)能夠降低在系統(tǒng)中注入故障因素對(duì)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(hào)中加入一個(gè)低頻（頻率為1hz，幅值為±1）的干擾信號(hào)后舵面的輸出響應(yīng)圖。

圖6 舵機(jī)輸入與輸出信號(hào)

4 結(jié)論

通過(guò)飛控伺服作動(dòng)系統(tǒng)仿真結(jié)果可以得出：系統(tǒng)中作動(dòng)筒直徑越小，舵面對(duì)輸入指令的跟隨性越好，作動(dòng)筒的摩擦力對(duì)系統(tǒng)的影響相對(duì)較小，當(dāng)系統(tǒng)輸入信號(hào)中存在干擾時(shí)，舵面的偏轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)偏差，故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮過(guò)濾各方面的干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。通過(guò)分析各個(gè)影響要素設(shè)置合理的參數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)性能最優(yōu)。