基于AMESim9.0的飛行控制作動系統建模

摘 要:飛行控制系統是飛機最重要的系統之一，飛行控制作動系統是飛行控制系統的重要組成部分。利用AMESim9.0軟件針對飛行控制作動系統進行建模與仿真，分析關鍵參數與系統性能的關系。

關鍵詞:AMESim9.0 飛行控制作動系統 建模 仿真

中圖分類號:TP311.52文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)10(c)-0008-03

飛行控制系統是現代飛機最重要的機載系統之一，而飛行控制作動系統作為飛控系統的重要組成部分，在很大程度上決定了整個飛控系統的性能，因此在初步設計時和試制之前對飛行控制作動系統的性能進行仿真和分析，從降低研發成本和縮短周期的角度來說是十分必要的。AMESim作為一款非常實用的工程建模與仿真工具，可以很好地完成這一任務。

1 AMESim軟件簡介

AMESim是一款工程系統高級建模與仿真平臺，它提供了一個系統級工程設計的完整平臺，用戶可以借此建立復雜的多學科領域的機電液一體化系統模型，并在此基礎上進行仿真計算和深入的分析。AMESim可以幫助工程師對設計進行分析和優化，從而降低開發的成本和縮短開發的周期。AMESim9.0是LMS Imagine S.A.公司于2010年發布的AMESim最新版本。

2 飛行控制作動系統簡介

飛行控制作動系統(以下簡稱作動系統)包括控制器、執行機構和控制對象(飛機舵面)，其中決定作動系統性能的主要是執行機構，即作動器，而作動器的性能指標又主要由其內部的各種控制閥和液壓缸等關鍵元件決定。因此，飛控作動系統建模的核心任務是建立作動器內部關鍵元件的詳實模型。

3 基于AMESim液壓庫的作動系統建模

單純利用AMESim的液壓庫和機械庫就可以建立一個最簡單的作動系統模型，如圖1所示。

模型中的電液伺服閥和作動筒都是液壓庫中自帶的模塊，可以直接調用并修改參數。設置作動筒的行程為60mm，活塞直徑為55mm，活塞桿直徑為32mm，由此可得作動筒的有效面積為1572mm。再設置液壓系統壓力為206bar(3000Psi)，回油壓力為4bar(約55Psi)，電液伺服閥的輸入信號為從第2秒開始的一個40mA的階躍信號。運行仿真可得到質量塊(3kg)位移的仿真結果，如圖2所示。

由于作動筒模型和電液伺服閥都是液壓庫自帶模型，因此可以修改的參數以及修改范圍是有限的，完成一些通用的或簡單的仿真任務是可以的。

4 基于AMESim液壓元件庫的作動系統建模

為了建立更具個性化的作動系統模型，以及考察作動器內部關鍵元件特性對作動系統性能的影響，就需要使用AMESim的液壓元件庫來建立更為詳細的模型。（如圖3)

圖3所示為一個典型的作動系統模型。

模型中作動筒和伺服閥分別用AMES im液壓元件庫中的活塞元件和閥芯元件搭建而成。質量塊仍為3kg(用于模擬作動筒活塞的質量)，作動筒行程和面積、液壓系統壓力和回油壓力的設置和前面模型1一致，伺服閥的輸入信號仍為從第2秒開始的一個階躍信號。質量塊位移的仿真結果如圖4所示。

由于在此模型中伺服閥的輸入信號直接就是閥芯位移的階躍信號，因此伺服閥本身的某些動態特性(例如閥芯的慣性、閥口的重疊等)沒有體現在仿真結果中。如果想要考察這些閥特性與系統特性之間的關系，還需要引入電磁庫以建立一個完整的電液伺服閥模型，如圖5所示。

圖5中上半部為利用電磁庫建立的力矩馬達(Torque Motor)模型，中間是噴嘴擋板(Flapper Nozzle)模型，最下面是伺服閥和作動筒模型(和前面提到的飛控作動系統仿真模型2類似)。力矩馬達的線圈接收電流信號，線圈及銜鐵產生的磁通與永磁體的磁通相互作用引起擋板的偏轉，使得擋板一側噴嘴處的壓力增大，另一側噴嘴處的壓力減小，即造成伺服閥閥芯兩端的壓力不平衡，該壓力差推動閥芯滑動，從而決定了液壓油流入作動筒的方向和流量，同時伺服閥閥芯的運動狀態反饋至彈簧管形成力反饋，當力矩馬達的力矩和由彈簧管、伺服閥閥芯兩端壓差所產生的力矩相抵消時，閥芯便處于一個平衡位置。因此，閥芯位置(流量)是和輸入電流成正比的。

5 基于AMESim多模型庫的飛控作動系統聯合建模

以上主要是針對作動器的一個從簡單到復雜的建模過程，而完整的飛控作動系統除了作動器(執行機構)之外還包括控制器和控制對象(飛機舵面)。同時，如果需要考慮與作動器相連接的機體結構的彈性變形，還要建立結構的剛度模型。因此要建立這樣一個完整的飛控作動系統模型就需要利用AMESim的多個模型庫進行聯合建模。

圖6所示為一個比較完整詳細的飛控作動系統模型。(如圖6)

該模型在飛控作動系統模型3的基礎上增加了機體結構剛度模型、作動器殼體質量模型以及舵面(轉動慣量)模型，同時將作動筒活塞位移信號作為負反饋與指令信號疊加，形成完整的舵面角度閉環控制，舵面的角度(實為作動筒活塞的線位移)與輸入電流成整比。

利用該模型可以考察一些典型參數的不同設置對系統特性的影響。例如，當設置電液伺服閥閥口的重疊量分別為:正重疊20μm、正重疊10μm、零重疊、負重疊10μm和負重疊20μm時，在輸入50mA的階躍電流后，作動筒活塞位移的仿真結果如圖7所示。其中從下至上依次為伺服閥正重疊20μm、正重疊10μm、零重疊、負重疊10μm、負重疊20μm時的仿真結果。(如圖7)

根據圖7，伺服閥為負重疊時的系統響應要快于正重疊時的響應，并且負重疊或零重疊時作動筒活塞最終位置的誤差幾乎為零(與預期值相比)，而當伺服閥為正重疊時，活塞位置比預期值要低，即輸入電流信號與活塞位置反饋信號相減之后的誤差信號(伺服閥實際接收的指令信號)始終為正，而這一不為零的誤差指令正是與伺服閥的死區(或門限)相抵消。

同樣針對上述伺服閥重疊量的不同設置，將輸入信號改為幅值為10mA，頻率為1Hz的正弦信號時，舵面位置的仿真結果如圖8所示。其中幅值從小到大依次為伺服閥正重疊20μm、正重疊10μm、零重疊、負重疊10μm、負重疊20μm時的仿真結果。(如圖8)

根據圖8，當伺服閥為正重疊時，舵面角度與輸入指令之間的相位差要大于負重疊時的相位差，正是因為這一相位差導致當舵面尚未偏轉到預期位置時，輸入信號已經改變符號，因此相位差越大舵面角度的幅值越小，這也說明了伺服閥的門限(或闕值)對作動器帶寬的影響，即門限越大帶寬越窄。

利用AMESim不僅可以建立詳細逼真的模型考察作動系統本身的性能之外，還可以分析與作動系統性能緊密相關的飛行控制系統的一些特性，例如同一舵面上多個作動器之間的力紛爭均衡特性。比如可以在上述作動系統模型基礎上增加AMESim機械庫中的力傳感器模型將作動筒油缸內部的壓力信號提取出來，利用來自不同作動筒內部的壓力值進行計算，比如取算術平均值，再將該平均值與各個作動器的輸入指令進行疊加或抵消，然后嘗試設置不同的壓力反饋增益，直到不同作動器之間的力紛爭降到可接受的范圍內，具體的建模和分析過程本文不再贅述。

參考文獻

[1]楊逢瑜.電液伺服與電液比例控制技術，北京:清華大學出版社，2009.

[2](法)IMAGINE公司.AMESim用戶手冊.