某型機(jī)電傳飛控系統(tǒng)位移傳感器總體布置設(shè)計

孫 沖，鄧海俠

(中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

位移傳感器分系統(tǒng)是某型直升機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，本文研究的傳感器是電傳飛控系統(tǒng)基本控制回路所需要的指令傳感器。每個通道安裝了互為備份的兩個電氣兩余度位移傳感器，兩個互為余度的位移傳感器，其輸出特性的差異直接影響電傳飛行控制系統(tǒng)對該通道位移傳感器信號的識別和判別，差異過大會影響對位移傳感器故障的辨識。因此每個通道位移傳感器的總體布置應(yīng)保證其輸出的差異在設(shè)計要求的規(guī)定范圍之內(nèi)。而座艙操縱裝置到每個通道兩個位移傳感器的輸入差異直接影響位移傳感器的輸出，也就是說位移傳感器的總體布置應(yīng)保證座艙操縱裝置到每個通道兩個位移傳感器的輸入完全一致。本文以橫滾通道為例，運(yùn)用CATIA DMU KINEMATICS運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊對座艙操縱裝置建模，通過仿真，分析不同總體布置情況下的位移傳感器的輸入隨座艙操縱裝置動態(tài)輸出的變化情況，總結(jié)出電傳飛行控制系統(tǒng)位移傳感器總體布置的設(shè)計方法。

1 電傳飛行控制系統(tǒng)及位移傳感器分系統(tǒng)

所謂電傳飛行控制系統(tǒng)是一個“應(yīng)用反饋控制原理而使飛機(jī)運(yùn)動成為被控參量的電氣飛行控制系統(tǒng)”[1]。它由機(jī)械、液壓、電子、電氣等部件組成，同一般的控制增穩(wěn)系統(tǒng)一樣，包括位移傳感器、指令模型、測量元件及舵機(jī)回路。將駕駛員的人工操縱指令(力或位移)轉(zhuǎn)化為電氣信號，與來自測量直升機(jī)運(yùn)動參數(shù)的反饋信號結(jié)合后進(jìn)行傳輸，然后再將處理后的電氣信號轉(zhuǎn)化回機(jī)械位移來控制舵面。它用電纜替代座艙操縱裝置到助力器之間的機(jī)械桿系，實(shí)現(xiàn)駕駛員對飛機(jī)運(yùn)動進(jìn)行控制的目的。框架圖見圖1。

駕駛指令傳感器是把駕駛員對于飛機(jī)實(shí)施操縱的指令(力或位移)加以敏感，以信號形式傳輸給飛控計算機(jī)的傳感裝置，分為位移敏感型和力敏感型。本文采用的是旋轉(zhuǎn)式位移敏感型指令傳感器(RVDT)，它們用于測量飛行員的操縱輸入(俯仰、橫滾、航向、總距)，輸出通過電纜與飛控計算機(jī)相連，信號經(jīng)過處理后供控制律使用。

圖1 電傳飛控系統(tǒng)框架

由于在完全取消了機(jī)械操縱鏈的電傳飛控系統(tǒng)中，電子電氣器件所組成的單重電氣信號傳輸系統(tǒng)的可靠性無法與機(jī)械操縱鏈相比，因而難以滿足作為飛行安全關(guān)鍵系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)的可靠性要求。所以，電傳飛控系統(tǒng)均是以多重余度的形式設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的，其各個余度之間可以認(rèn)為是互為備份的存在形式。故某型機(jī)上，每個通道均布置兩個電氣兩余度位移傳感器互為備份，形成四余度傳感器系統(tǒng)。對于多余度系統(tǒng)，位移傳感器輸出差異的大小直接影響電傳飛控系統(tǒng)故障的判別，即飛機(jī)的安全保障，所以多余度位移傳感器系統(tǒng)輸入的一致性尤為重要，它也便成為考量位移傳感器布置方案的重要因素。

2 運(yùn)動機(jī)構(gòu)建模

2.1 座艙操縱裝置的運(yùn)動仿真

座艙操縱裝置的運(yùn)動仿真是在數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上，通過定義空間運(yùn)動副，來建立三維運(yùn)動模型，分析座艙操縱裝置運(yùn)動特性，為設(shè)計人員提供有效的虛擬設(shè)計手段。它通過DMU運(yùn)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，對所研究的對象進(jìn)行動態(tài)模仿，對于分析飛行操縱系統(tǒng)具有重要意義。

對座艙操縱裝置橫滾通道建模，用空間的點(diǎn)、線、面作為最小構(gòu)建單元來代表運(yùn)動部件，分析其運(yùn)動原理，建立空間運(yùn)動副，形成運(yùn)動模型。以周期變距桿的角位移作為模型的運(yùn)動輸入，位移傳感器的輸入角度作為運(yùn)動輸出。

2.2 位移傳感器布置方案

位移傳感器安裝在飛行員座艙地板下，一端與機(jī)體結(jié)構(gòu)相連，另一端與操縱拉桿相連。為提升直升機(jī)的戰(zhàn)場生存性(即兩臺位移傳感器不會同時被擊中)，并且保證機(jī)械傳動關(guān)系的一致性，每個通道的桿位移傳感器均采用左右對稱布置，橫滾通道也如此。對于本文采用的旋轉(zhuǎn)式位移敏感型指令傳感器，為了滿足其精度要求，我們一般要求它的搖臂角度變化控制在±30°范圍以內(nèi)。因?yàn)楦┭雠c橫滾通道均由周期變距桿操縱，所以會存在耦合，為保證各通道機(jī)械的獨(dú)立性，布置位移傳感器時，減小耦合也是重點(diǎn)考慮的因素。某型機(jī)為并列式座艙，對于橫滾位移傳感器的布置位置主要分析如下三種方案，其運(yùn)動模型如圖2-圖4。其中，用直線表示座艙操縱裝置橫滾通道，虛線表示左右位移傳感器。傳感器搖臂長度固定為45mm，連接拉桿與傳感器搖臂基準(zhǔn)狀態(tài)垂直。

1)兩位移傳感器分別從正副周期變距桿底端引出，兩根長連接拉桿為400mm，左位移傳感器與橫向限位搖臂的連接拉桿為200mm。

2)兩位移傳感器均安裝在從副周期變距桿底端連接的橫向限位搖臂上，左右連接拉桿長度分別為200mm和400mm，副周期變距桿底端與連接位移傳感器的橫向限位搖臂之間的長拉桿長度為600mm。

3)兩位移傳感器均安裝在從副周期變距桿底端連接的橫向限位搖臂上，連接桿長度為200mm,副周期變距桿底端與連接位移傳感器的復(fù)合搖臂之間的長拉桿長度為900mm。

圖2 方案1運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型

圖3 方案2運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型

圖4 方案3運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型

3 仿真結(jié)果及分析

對三種不同方案的運(yùn)動模型進(jìn)行仿真，以周期變距桿桿位變化作為驅(qū)動(橫向范圍定義為±10°，縱向范圍定義為±12°)，觀察左右兩側(cè)橫向位移傳感器的角度數(shù)據(jù)，得出周期變距桿縱橫向桿位變化對橫向位移傳感器的影響曲線，如圖5-圖7所示。

當(dāng)橫向桿位變化時，位移傳感器的輸入一致性很好，但縱向桿位變化對位移傳感器的影響較大。這是由于兩位移傳感器直接從操縱輸出點(diǎn)引出，拉桿雖然長度相同，但都較短。

從橫向限位搖臂引出的兩位移傳感器的連桿雖然長度不同，但并未影響它們的一致性。

由于從操縱輸出點(diǎn)引出的長拉桿長度增加，兩位移傳感器受縱向桿位的耦合變小。

圖5 方案1仿真結(jié)果

圖6 方案2仿真結(jié)果

圖7 方案3仿真結(jié)果

表1列出了三種方案的仿真數(shù)據(jù)，包括桿位極限狀態(tài)下位移傳感器的角度變化、差值及相對桿位變化所占的百分比。其中周期變距桿到左右兩個橫向位移傳感器的傳動比均為2.67°/°，三種方案的左右位移傳感器輸入角度均在30°以內(nèi)，滿足要求。其一致性都很好，相差不大。而方案3的位移傳感器搖臂角度變化占縱向桿位輸出的百分比小于5%，符合設(shè)計要求。

表1 仿真數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過運(yùn)動機(jī)構(gòu)對座艙操縱裝置橫滾通道的建模，分析操縱系統(tǒng)動態(tài)特性對位移傳感器輸入特性的仿真數(shù)據(jù)，可得如下結(jié)論：

1)對于互為備份的多余度位移傳感器系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)械傳動關(guān)系相同時，位移傳感器之間的輸入基本一致，即非線性?。?/p>

2)當(dāng)機(jī)械兩余度的位移傳感器從不是操縱輸入的同一點(diǎn)引出時，連接拉桿的長度對其輸入特性影響較小，設(shè)計優(yōu)化過程中可以適度變化拉桿長度；

3)縱向通道的動態(tài)輸出對兩個橫向位移傳感器的影響受操縱輸出點(diǎn)引出的長拉桿長度的影響，為更好地避免耦合，可適當(dāng)增加長拉桿長度；

4)總距和航向通道具有獨(dú)立性，不存在機(jī)械耦合，所以位移傳感器的布置較簡單，只需要保證一致性就可以了。

經(jīng)分析比較可見，方案3可行。