直升機(jī)電動(dòng)負(fù)荷操縱系統(tǒng)控制方法仿真研究

張喆　韓意新

摘 要：文章對(duì)直升機(jī)電動(dòng)負(fù)荷操縱系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行了闡述，首先推導(dǎo)了電動(dòng)負(fù)荷系統(tǒng)的人感模型運(yùn)動(dòng)方程，包括桿力數(shù)學(xué)模型、庫侖力數(shù)學(xué)模型。其次，建立了電動(dòng)負(fù)荷系統(tǒng)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(guān)鍵詞：直升機(jī)；電動(dòng)負(fù)荷操縱系統(tǒng)；控制策略

引言

直升機(jī)電動(dòng)負(fù)荷操縱系統(tǒng)的基本原理是通過安裝于電動(dòng)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(cè)桿的當(dāng)前位置，送到主動(dòng)桿控制器的DSP芯片，運(yùn)行于DSP芯片的軟件解算人感數(shù)學(xué)模型，最終輸出到電動(dòng)加載單元伺服電機(jī)的電壓空間矢量，使人感加載機(jī)構(gòu)單元跟蹤桿位移指令，驅(qū)動(dòng)操縱桿，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的人感效果。

本文設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)負(fù)荷操縱系統(tǒng)的控制方法，該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種人感特性的模擬。

1 人感系統(tǒng)建模

1.2 桿力數(shù)學(xué)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(guān)系。不同型號(hào)飛機(jī)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(yù)載的三梯度特性，預(yù)載是為了增強(qiáng)駕駛桿回中特性及增強(qiáng)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(jī)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(jī)械桿系帶動(dòng)載荷機(jī)構(gòu)，使飛行員感受到桿力的存在，同時(shí)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(jì)算出操縱桿力F后，還應(yīng)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(shí)測(cè)力。

其中，阻尼力系數(shù)和慣性力系數(shù)是根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)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(gè)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(dòng)態(tài)特性，可變?nèi)烁刑匦酝ㄟ^設(shè)置操縱系統(tǒng)的模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)啟動(dòng)力、摩擦力、桿力梯度等參數(shù)可以調(diào)節(jié)人感系統(tǒng)的非線性特性；通過調(diào)節(jié)頻率、阻尼、摩擦力、慣量等參數(shù)可以調(diào)節(jié)人感系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。操縱人員的操縱信號(hào)經(jīng)過非線性和動(dòng)態(tài)特性處理，輸出加載指令。

根據(jù)以上研究成果，形成電動(dòng)負(fù)荷系統(tǒng)控制過程的簡圖，如圖5所示?？刂七^程為：當(dāng)飛行員操縱駕駛桿時(shí)，位移傳感器采集位移行程輸送至人感計(jì)算機(jī)，根據(jù)人感數(shù)學(xué)模型行程力指令，力指令驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，輸出期望的力，同時(shí)力傳感器采集伺服機(jī)構(gòu)輸出力的大小，行程閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)輸出力的大小進(jìn)行校正，提高力控精度。

3 結(jié)束語

直升機(jī)的電動(dòng)負(fù)荷操縱系統(tǒng)需要對(duì)多種人感特性進(jìn)行模擬，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要完善的人感系統(tǒng)模型，本文對(duì)這種人感系統(tǒng)模型進(jìn)行了細(xì)致的推導(dǎo)，可應(yīng)用于后期的工程實(shí)踐當(dāng)中。同時(shí)，本文提出了一種完整的控制律結(jié)構(gòu)，包含人感系統(tǒng)非線性模型和動(dòng)態(tài)特性模型，軟硬件回路，對(duì)后期的工程化極具參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]黨維.電動(dòng)式操縱負(fù)荷系統(tǒng)控制技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[2]王輝，許守林，馮英進(jìn)等.飛行模擬器操縱負(fù)荷力加載控制系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[J].中國機(jī)械工程，2008，19（14）：1720-1723.