直升機電動負荷操縱系統控制方法仿真研究

張喆　韓意新

摘 要：文章對直升機電動負荷操縱系統的控制方法進行了闡述，首先推導了電動負荷系統的人感模型運動方程，包括桿力數學模型、庫侖力數學模型。其次，建立了電動負荷系統的控制策略，搭建了控制律框圖，該框圖清楚描述了軟硬件的控制過程。

關鍵詞：直升機；電動負荷操縱系統；控制策略

引言

直升機電動負荷操縱系統的基本原理是通過安裝于電動加載單元桿力傳感器感受駕駛員的操縱力，桿位移傳感器檢測桿的當前位置，送到主動桿控制器的DSP芯片，運行于DSP芯片的軟件解算人感數學模型，最終輸出到電動加載單元伺服電機的電壓空間矢量，使人感加載機構單元跟蹤桿位移指令，驅動操縱桿，實現預期的人感效果。

本文設計了一套電動負荷操縱系統的控制方法，該方法實現了對多種人感特性的模擬。

1 人感系統建模

1.2 桿力數學模型

桿力-桿位移特性曲線描述了駕駛桿力和桿位移之間的關系。不同型號飛機的桿力-桿位移特性曲線是不同的。桿力-桿位移特性曲線具有預載的三梯度特性，預載是為了增強駕駛桿回中特性及增強中立位置的定中性。為了使飛行員在小桿量操縱下桿力不要過輕，所以第一段梯度較大。同理，為了使飛行員在大桿量操縱下桿力不要太大，第二段梯度較小，第三段梯度最小。

以飛機縱向通道為例，桿力-桿位移特性曲線如圖1所示。按照需求，這里縱向通道的F0為30N，橫向通道的F0為30N，航向通道的F0為70N。

飛行員前后推拉操縱駕駛盤，通過機械桿系帶動載荷機構，使飛行員感受到桿力的存在，同時還能感受到與操作速度成正比的阻尼力。因此，由桿力-桿位移特性曲線計算出操縱桿力F后，還應考慮阻尼力、慣性力的影響，從而得到模型桿力。

即：模型桿力=操縱桿力+阻尼力+慣性力。

偏差力=操縱桿力-實測力。

其中，阻尼力系數和慣性力系數是根據機械系統的實際情況確定的。

1.3 庫倫摩擦力

庫倫摩擦力f0的非線性特性見圖2，為了簡單起見，將這個特性簡化成圖3的形式。

2 控制策略

控制策略如圖4所示，可以看出人感模型包括非線性特性和動態特性，可變人感特性通過設置操縱系統的模型參數實現。通過調節啟動力、摩擦力、桿力梯度等參數可以調節人感系統的非線性特性；通過調節頻率、阻尼、摩擦力、慣量等參數可以調節人感系統的動態特性。操縱人員的操縱信號經過非線性和動態特性處理，輸出加載指令。

根據以上研究成果，形成電動負荷系統控制過程的簡圖，如圖5所示。控制過程為：當飛行員操縱駕駛桿時，位移傳感器采集位移行程輸送至人感計算機，根據人感數學模型行程力指令，力指令驅動伺服機構，輸出期望的力，同時力傳感器采集伺服機構輸出力的大小，行程閉環控制系統，對輸出力的大小進行校正，提高力控精度。

3 結束語

直升機的電動負荷操縱系統需要對多種人感特性進行模擬，在控制系統設計中，需要完善的人感系統模型，本文對這種人感系統模型進行了細致的推導，可應用于后期的工程實踐當中。同時，本文提出了一種完整的控制律結構，包含人感系統非線性模型和動態特性模型，軟硬件回路，對后期的工程化極具參考價值。

參考文獻

[1]黨維.電動式操縱負荷系統控制技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[2]王輝，許守林，馮英進等.飛行模擬器操縱負荷力加載控制系統的試驗研究[J].中國機械工程，2008，19（14）：1720-1723.