CJ1飛行訓(xùn)練設(shè)備操縱系統(tǒng)故障淺析

摘要：操縱系統(tǒng)是飛行模擬訓(xùn)練設(shè)備的重要組成部分，本文介紹了CJ1飛行模擬訓(xùn)練器操縱系統(tǒng)的組成、工作原理和控制法則，最后以CJ1飛行模擬訓(xùn)練器的左側(cè)方向舵卡阻故障為例，介紹了典型的操縱故障的排除方法，故障排除后進(jìn)行方向舵的QTG測試。測試結(jié)果表明，左側(cè)方向舵故障得到了解決，滿足飛行要求。

關(guān)鍵詞：飛行模擬訓(xùn)練器；操縱系統(tǒng)；方向舵卡阻；QTG測試

Keywords：flight simulation；control loading system；rudder jamming；QTG test

0 引言

飛行訓(xùn)練設(shè)備一般由模擬艙、運(yùn)動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)及教員控制臺六大系統(tǒng)組成。其中操縱系統(tǒng)是安裝在駕駛艙中，通過連桿等與飛機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（駕駛盤、駕駛桿、腳蹬等）連接，用來模擬飛行桿力、腳蹬力等的駕駛艙力操作與反饋的系統(tǒng)。先進(jìn)的操縱系統(tǒng)能夠使飛行員感知到與真實(shí)駕駛艙一樣大小的力反饋，因此可仿真飛機(jī)在不同飛行狀態(tài)下的力、阻尼特性等[1-3]。

飛行訓(xùn)練設(shè)備上將飛機(jī)操縱系統(tǒng)分為主操縱系統(tǒng)和輔助操縱系統(tǒng)[4]。主操縱一般為主要的控制，輔助操縱一般為較次要的控制。根據(jù)模擬機(jī)機(jī)型的不同，主操縱系統(tǒng)和輔助操縱系統(tǒng)的分類也不同。

1 操縱系統(tǒng)的組成

在CJ1飛行訓(xùn)練器上，飛行員通過操縱訓(xùn)練設(shè)備的腳蹬、操縱桿、襟翼和配平輪位置，產(chǎn)生作用力或者位置信息。模擬設(shè)備將這種作用信息作為輸入信號，輸入到主計算機(jī)（SimHost），主計算機(jī)再將采集的信號與飛機(jī)當(dāng)前的重量、飛機(jī)重心、空速、飛行高度、襟翼位置信息等進(jìn)行綜合處理分析，計算出輸出信號，傳輸給主操縱計算機(jī)和輔助操縱計算機(jī)，主操縱計算機(jī)和輔助操縱計算機(jī)輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動相應(yīng)的控制設(shè)備作動，以反饋與真實(shí)飛機(jī)同樣大的力到腳蹬、操縱桿和模擬的飛機(jī)舵面，實(shí)現(xiàn)對模擬設(shè)備的操縱控制。主操縱系統(tǒng)控制俯仰、橫滾和偏航的操作。輔助操縱系統(tǒng)控制俯仰配平輪和襟翼位置指示。在所有模擬環(huán)境和模擬時機(jī)下，操縱系統(tǒng)必須響應(yīng)飛行員的操作命令，激活相應(yīng)的操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，操縱系統(tǒng)的控制原理見圖1。

1.1 主操縱系統(tǒng)

CJ1飛行訓(xùn)練設(shè)備的主操縱系統(tǒng)，由主操縱控制計算機(jī)、3個伺服驅(qū)動組件（伺服放大器）、3個操縱控制組件電機(jī)及其位置、力傳感器和相應(yīng)的鉸鏈桿組成。主操縱計算機(jī)采用Linux操作系統(tǒng)，安裝有SATA接口的4G內(nèi)存的SM卡。主操縱計算機(jī)有兩個網(wǎng)口，一個網(wǎng)口LAN與主計算機(jī)（SimHost）相連，另一網(wǎng)口與交換機(jī)相連后，分出三個網(wǎng)線接口，分別連接3個伺服驅(qū)動組件，每個伺服驅(qū)動組件與操縱控制組件相連，操縱控制組件與其下一級的鉸鏈桿連接。由于操縱系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)操縱的精確控制，操縱控制組件CLU將作用力的值和其控制的舵面的位置信息反饋給伺服驅(qū)動組件，以更好實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動組件對操縱控制組件CLU的控制。具體實(shí)現(xiàn)原理見圖2。

1.2 輔助操縱系統(tǒng)

CJ1飛行訓(xùn)練設(shè)備的輔助操縱系統(tǒng)，是飛行員操作的機(jī)械控制裝置，由輔助操縱控制器、伺服驅(qū)動組件和控制設(shè)備組成，如圖3所示。飛行員的操作信號為輸入信號，首先傳遞給控制計算機(jī)，輔助操縱控制器為一臺單板機(jī)，其接收來自主計算機(jī)（HOST）的SimLAN信號、驅(qū)動兩個伺服驅(qū)動組件，實(shí)現(xiàn)對俯仰配平輪和襟翼指示器的控制。見圖3。

2 主操縱系統(tǒng)的控制法則

主操縱系統(tǒng)包含兩條控制法則：內(nèi)環(huán)法則（控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)）和外環(huán)法則（模擬機(jī)的飛行控制系統(tǒng)）。在正常的系統(tǒng)操作中，一般不會進(jìn)入內(nèi)環(huán)的控制法則和參數(shù)設(shè)置。在模型啟動時，內(nèi)環(huán)的控制便被加載。內(nèi)環(huán)的控制數(shù)據(jù)存儲在操縱計算機(jī)的硬盤里，除非機(jī)械方面的改變才需要進(jìn)行內(nèi)環(huán)數(shù)據(jù)的修改。但遇到操縱數(shù)據(jù)丟失時，可以在操縱系統(tǒng)的控制軟件（MoogExplorer）中進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)的修改。外環(huán)控制主要是外部機(jī)械操縱的力與信號的控制，這里重點(diǎn)介紹內(nèi)環(huán)控制的工作原理。

內(nèi)環(huán)控制中的重點(diǎn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要作用是通過記錄飛行員施加到控制系統(tǒng)上的力的大小和位置，在飛行控制操作時產(chǎn)生一個連續(xù)的實(shí)時穩(wěn)定的作用力。為了實(shí)現(xiàn)這一精準(zhǔn)控制，在計算機(jī)軟件里將每一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)分成一個單獨(dú)的控制通道。每個控制通道由相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，并單獨(dú)工作。在控制軟件里面可以監(jiān)控主操縱系統(tǒng)三個通道的參數(shù)值，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)值的修改。一般可以修改的參數(shù)值為伺服放大器的參數(shù)值（根據(jù)電機(jī)/馬達(dá)參數(shù)值修訂）、力傳感器放大器值（增益、偏移、行程）、位置傳感器放大器值（增益、偏移、行程）、速度傳感器放大器值（增益、偏移、行程）。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制參數(shù)集成在操縱計算機(jī)軟件內(nèi)，是一種PID控制器，其分為比例控制通道、積分通道和微分通道三個通道進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)[6]，其中比例控制通道是主控制通道，其輸出與輸入誤差成比例關(guān)系，用于減少錯誤的反饋值。積分通道與比例通道一起工作，用于消除靜態(tài)誤差。微分控制通道產(chǎn)生相位前置，增加頻率響應(yīng)。

3 操縱系統(tǒng)的故障排除實(shí)例

操縱系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，將會中斷訓(xùn)練。同時模擬設(shè)備的操縱系統(tǒng)故障也是維護(hù)工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著飛行訓(xùn)練設(shè)備的老化，故障發(fā)生概率明顯提高。下面以一起操縱故障為例進(jìn)行故障排除的闡述。

故障現(xiàn)象：CJ1飛行訓(xùn)練設(shè)備左側(cè)方向舵不工作，腳蹬沒有反應(yīng)。

排故流程：

1）CJ1飛行訓(xùn)練設(shè)備左側(cè)方向舵屬于主操縱系統(tǒng)，首先查看操縱控制軟件，沒有發(fā)現(xiàn)故障信息提示，見圖4。

2）檢查與左側(cè)方向舵相連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有無連接松動或斷開的情況。由于飛行訓(xùn)練設(shè)備長期帶運(yùn)動飛行，其六自由度的運(yùn)動強(qiáng)度大，持續(xù)時間長，難免會引起連接線路（機(jī)構(gòu)）的松動或者斷開。對照維護(hù)手冊，找到左側(cè)方向舵的控制機(jī)構(gòu)，通過目視檢查機(jī)械連接，并緊固。

3）通過萬用表檢查連接電路。

4）檢查確保機(jī)械和電路連接正常后，故障依舊存在。

5）打開控制軟件，一邊操縱左右兩側(cè)方向舵，一邊查看左右側(cè)方向舵的實(shí)時數(shù)據(jù)值。發(fā)現(xiàn)在操作左側(cè)方向舵時，其MeasutedForce的輸出值在2～5之間，而操作右側(cè)方向舵時，其右側(cè)方向舵MeasutedForce值為-51左右。根據(jù)以往的維修經(jīng)驗(yàn)，懷疑是伺服放大器或者是電機(jī)故障。

6）對伺服放大器和電機(jī)進(jìn)行更換后故障依舊。

7）連接維護(hù)筆記本電腦到座艙，左右腳踩下方向舵，左側(cè)方向舵變化幅度小，右側(cè)方向舵變化幅度正常。分析操縱系統(tǒng)的控制法則，懷疑是內(nèi)環(huán)的控制數(shù)據(jù)值丟失，嘗試對內(nèi)環(huán)控制數(shù)據(jù)值進(jìn)行更改。

8）在FCS軟件中修改MeasureForce的GAIN增益值，本身為1，現(xiàn)逐漸調(diào)整增加到38。在調(diào)試值得過程中，一邊修改增益值的大小，一邊操作腳蹬操作檢查力的反饋。直至測試正常，其修改工作頁面見圖5。

9）在教員操縱臺上，進(jìn)行方向舵QTG測試項(xiàng)目，其測試的目的是自動檢測在方向舵上施加不同的力，其產(chǎn)生的位置變化量是否與主QTG測試包線基本一致，只有測試值與主QTG包線基本一致，才能保證CJ1飛行訓(xùn)練設(shè)備的正常適航運(yùn)行，如圖6所示。

方向舵故障停機(jī)維修中，其開始遵循了傳統(tǒng)的排故方式，通過檢查控制軟件沒有故障提示，然后對機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路連接進(jìn)行查看，確保機(jī)械和電路連接正常后，懷疑是電機(jī)或者是伺服放大器故障，對電機(jī)和伺服放大器進(jìn)行更換，故障依舊。通過仔細(xì)觀察研究，分析其工作原理，發(fā)現(xiàn)伺服放大器力傳感器存儲放大倍數(shù)丟失，通過在FCS-EXPLORER中重新設(shè)置放大系數(shù)，排除了故障，使飛行訓(xùn)練快速恢復(fù)。

4 總結(jié)

操縱系統(tǒng)維護(hù)是模擬設(shè)備維護(hù)工作中的重要內(nèi)容，保證操縱系統(tǒng)的工作正常是保證飛行訓(xùn)練的關(guān)鍵。本文所舉排故案例中，通過對內(nèi)環(huán)控制數(shù)據(jù)值重新設(shè)定完成了此次故障的排除，積累了十分寶貴的維修經(jīng)驗(yàn)。此內(nèi)環(huán)控制數(shù)據(jù)丟失故障發(fā)生概率低，需要有一定維護(hù)經(jīng)驗(yàn)才能迅速判斷。因此。此排故經(jīng)驗(yàn)可為以后的故障排除提供指導(dǎo)性的意見，提高維護(hù)效率，減少系統(tǒng)宕機(jī)時間。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖志堅. CJ1飛行模擬器運(yùn)動系統(tǒng)與故障分析指針式儀表研制[J]. 機(jī)電技術(shù)，2013（10）：8-10.

[2] 陳又軍，蘇斌. 民用飛行模擬技術(shù)與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社. 2020.

[3] 陳又軍. 現(xiàn)代飛行模擬機(jī)技術(shù)發(fā)展概述[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報，2011，22（2）：25-27.

[4] Maintenance manual CJ1 FFT for CAFUC [Z]. Mechtronix. 2013.

[5] Maintenance manual Control Loading. 2013.

[6] PID control system analysis，design，and technology [J]. IEEE Trans Control Systems Technology. University of Glasgow CAutoD. 2005.

作者簡介

李會茹，工程師，研究方向：模擬機(jī)維護(hù)與仿真。