基于AMESim的駕駛員操縱裝置阻尼特性研究

許志林，傅 強，萬 明

（1.中航工業洪都，江西 南昌330024；2.駐320廠軍事代表室，江西 南昌330024）

0 引 言

在電傳飛行控制系統中，對駕駛員操縱裝置的阻尼比提出了明確要求，國軍標要求阻尼比ζ一般應在0.5~1之間。傳統的設計方法中，針對阻尼器阻尼比的參數設定，需要通過繁雜的數學計算來分析合理的值，且需要反復進行迭代，數據量較大，很容易出錯。本文利用LMS Imagine.Lab AMESim仿真軟件對某一設定的駕駛員操縱裝置進行建模及仿真分析。

1 駕駛員操縱裝置參數要求

本文列舉任意一例駕駛員操縱裝置的橫向操縱部分參數，進行仿真分析。理論參數假定設置如下：

啟動力（操縱點處）：8N；

橫向最大操縱力：±50N；

阻尼比ζ：0.5~0.85

橫向最大操縱位移（操縱點處）：±50mm；

橫向操縱點至橫向載荷機構的傳動比：230mm/ 60mm；

橫向操縱點至橫向阻尼器的傳動比：230mm/ 60mm；

駕駛桿手柄/傳動機構等等效至操縱點的質量：2 kg。

2 系統建模

駕駛員操縱裝置主要由駕駛桿手柄、傳動桿系、載荷機構和阻尼器等組成，建立如圖1所示的系統模型，輸入信號1模擬給駕駛桿提供的一個初始力，使駕駛桿保持在橫向最大操縱位移處，在第1秒的時候開始釋放。階躍信號初始值設置為60，階躍值為0，階躍時間為1s。

等效質量塊2為具有摩擦力和限位裝置的模型，模擬限位裝置、啟動力（摩擦力）和傳動機構的慣量。等效質量塊2的參數設置為：

質量：2kg；

圖1 駕駛員操縱裝置建模

庫侖摩擦力：0.5N；

靜摩擦力：0.5N；

最低限制位移：-50mm；

最高限制位移：50mm；

其他值為默認值。

等效傳動桿系3為模擬駕駛員操縱裝置的傳動比，L1端臂長設為230mm，L2端臂長設為60mm。

阻尼器4和等效彈簧載荷機構5共同組成駕駛員操縱裝置的人感系統。等效彈簧載荷機構5的相關參數根據橫向操縱參數計處獲得。

3 阻尼器阻尼系數確定

阻尼器的阻尼系數一般為可調節值，為了使阻尼器的可調節參數設置于最佳區間，現使用批處理的方法來進行仿真分析。阻尼器阻尼系數的初步批處理數值見表1。操縱點T的批處理仿真結果見圖2所示。

表1 阻尼系數的初步批處理數值 單位：N/(m/s）

圖2 不同阻尼系數時的操縱點T批處理仿真時域曲線

根據超調量σ與阻尼比ζ的關系式：

得：

利用AMESim后處理功能，得出變阻尼系數情況下的系統阻尼比結果如圖3所示。

根據后處理結果可得出，在給定的條件下，阻尼器的阻尼系數范圍在600~750 N/(m/s）之間時，可實現阻尼比在0.5左右；阻尼器的阻尼系數在1950 N/ (m/s）左右時，可實現阻尼比為0.85。

再通過縮小間隙，分別求解兩極限值的的阻尼比，可知，阻尼比為0.5時，阻尼器的阻尼系數為670 N/(m/s）；阻尼比為0.85時，阻尼器的阻尼系數為1880 N/(m/s）。因此，在其他條件一定的情況下，當阻尼器的阻尼系數在670 N/(m/s）～1880 N/(m/s）之間時，系統阻尼比在0.5～0.85之間，系統的阻尼比隨著阻尼器的阻尼系數的增大而增加。

圖3 不同阻尼系數后處理阻尼比結果

4 系統質量對阻尼特性的影響分析

前面已對既定的模型分析得出了比較合理的阻尼系數范圍，本節設定阻尼系數為一給定常量800N/ (m/s)，將等效質量列為變量來分析質量變化對阻尼特性的影響，等效質量的批處理數值見表2，批處理仿真時域曲線見圖4。

利用AMESim的后處理功能，得出變等效質量情況下的系統阻比如圖5所示。

綜合時域曲線和后處理結果可知，在阻尼系數為恒值時，系統阻尼比隨著系統等效質量 （轉動慣量）的增加而減小。

表2 等效質量的批處理數值 單位：kg

圖4 變等效質量的操縱點T批處理仿真時域曲線

5 系統摩擦力對阻尼特性的影響分析

5.1 系統靜摩擦力對阻尼特性的影響分析

設定阻尼系數為一給定常量800N/(m/s)，等效質量也為一給定常量2kg，動摩擦力設為0.5N，靜摩擦力列為變量，分析靜摩擦力變化對阻尼特性的影響，靜摩擦力的批處理數值見表3（批處理參數值設置時考慮了靜摩擦力不應小于動摩擦力），批處理仿真時域曲線見圖6。

利用AMESim的后處理功能，得出變靜摩擦力情況下的系統阻比如圖7所示。

圖5 變等效質量后處理阻尼比結果

表3 靜摩擦力的批處理數值單位：N

圖6 變靜摩擦力的操縱點T批處理時域曲線

由批處理的時域曲線和后處理結果可知，在其他參數為恒值時，在系統靜摩擦力逐漸增加的過程中，系統阻尼比不發生變化。

圖7 變靜摩擦力后處理結果

5.2 系統靜摩擦力對阻尼特性的影響分析

設定阻尼系數為一給定常量800N/(m/s)，等效質量也為一給定常量2kg，靜摩擦力設為5N，動摩擦力列為變量，分析動摩擦力變化對阻尼特性的影響，動摩擦力的批處理數值見表4（批處理參數值設置時考慮了靜摩擦力不應小于動摩擦力），批處理仿真結果見圖8。

利用AMESim的后處理功能，得出變動摩擦力情況下的系統阻尼比如圖9所示。

由批處理的時域曲線和后處理結果可知，在其他參數為恒值時，系統阻尼比隨著動摩擦力的增加而增加。

表4 動摩擦力的批處理數值 單位：N

圖8 變動摩擦力的操縱點T批處理時域曲線

圖9 變動摩擦力后處理結果

6 系統啟動力（預載）對阻尼特性的影響分析

設定阻尼系數為一給定常量800N/(m/s)，等效質量為一給定常量2kg，靜摩擦力設為0.5N，動摩擦力也為0.5N，分析啟動力變化對阻尼特性的影響，啟動力的仿真數值見表5。

仿真結果見圖10,利用AMESim的后處理功能，得出變啟動力情況下的系統阻比如表6所示。

由仿真結果可知，在其他參數為恒值時，系統阻尼比隨著啟動力的增加而逐漸減小。

表5 啟動力的仿真數值 單位：N

7 結 論

本文研究了一種利用AMESim軟件提供快速建模仿真分析駕駛員操縱裝置的阻尼器參數的方法，在系統其他參數恒定的情況下，駕駛員操縱裝置的系統阻尼比：

1）隨系統質量的增加而增加；

圖10 變啟動力（操縱點T）仿真分析

表6 變啟動力的仿真結果

2）隨阻尼器阻尼系數的增加而增加；

3）與系統的靜摩擦力無關；

4）隨系統動摩擦力的增加而增加；

5）隨系統動啟動力的增加而減小。

[1]王永熙.飛機設計手冊 第12冊.飛行控制系統和液壓系統設計.北京：航空工業出版社，2003.

[2]胡壽松.自動控制原理.北京：科學出版社，2001.

[3]付永領,祁曉野.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真參考手冊.北京：北京航空航天大學出版社，2011.