飛機過載飛行模擬器運動仿真分析

劉智漢

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

飛行模擬器主是作用于地面模擬飛行器在空中飛行和地表滑動的專業設備，主要應用于飛行員模擬培訓、新機試飛以及故障分析等領域，具有科學、安全、方便、可靠、工作效率較高且不受氣候和環境因素限制的特征。飛機過載飛行運動平臺作為飛行模擬器的關鍵構成部分，具體負責向飛行模擬器內的駕駛員提供和現實飛機在空中飛行時的相同運動感覺，對模擬器飛行模擬的逼真度有著極其重要的影響。實現和真實飛行相同的運動感覺主要是根據運動平臺對空氣動力學的標準指標，尤其是加速度標準的反跟蹤能力與實時效果。因為運動平臺的空間是極其有限的，現行辦法通常是根據預先設計出來的濾波算法獲得初始加速度指標后，最后轉變為對運動平臺的位移控制，加速度指標反跟蹤效果一般會較低，直接影響平臺的模擬運動飛行效果。

1 設計控制器

根據偏差比例優化、積分調整以及微分調改對控制器進行模擬，簡稱PID 控制器。PID 控制器構造簡單明了，并不是一定需要模擬對象運動的數學模型，其參數調改較為簡便，在長期實踐應用中已經累積了極其豐富的經驗，在計算機系統中引進PID 控制器，利用編碼程序表達其控制原理，實踐證明對于絕大部分控制對象均可以獲取較為滿意的應用效果。PID 控制器是作為一種線性方程模擬控制器，它按照預設值 ( )r t 與實際輸出值 ( )c t 組建控制偏差：

將控制偏差公式的比例(P)、積分(I)與微分(D)利用線性方程計算獲取控制量，對被控對象實施完全控制，因此稱之為PID 控制器。PID 控制器的每個校正流程對飛行模擬器的作用有以下幾點：

比例環節。根據一定比例對應出控制器的偏差信號( )e t ，一旦發現偏差，控制器就會馬上放大控制器的偏差以推動控制力，使控制量朝著偏差降低的方向發展。因為比例控制只是單純地讓被調量恢復到預設值上下波動，因此只存在比例控制時控制器會出現穩態誤差。

積分環節。積分環節輸出的調整信號與輸入偏差之間是不存在對應關系的，積分控制器將偏差積累的最終結果輸出，在調整環節中，只要存在偏差，其輸出調整信號就會逐漸加大，直到確定誤差消除，系統無差性和穩定性提高。積分調改的好壞主要取決于積分常數Ki。Ki 越大，積分的積累作用越強，反之則積分性越弱。積分調整作用雖然一定程度上能夠降低誤差值，可能會大大影響控制器的響應速度，增強其輸出調度。因此可以將比例與積分環節進行自由組合，使控制器進入穩定誤差狀態。

微分環節。比例調整環節與積分調整環節均屬于按照控制器的偏差信號來完成飛行器運動模擬的，而微分環節則是按照控制器的偏差波動趨勢(即變化趨勢)來實現動作的。實際的控制器中不僅需要降低穩態誤差，同時還需要調整時間越短越好，因此需動作的發生必須在出現偏差與偏差發生的瞬間一刻，不單需要對偏差量進行實時限制，還需對偏差變動以及偏差波動趨勢預先設置好合適的控制量。為了模擬出飛行模擬器的運動狀態，可以適當引進微分欄，如此就能夠在偏差發生變動以前就開始實施手段，當發現偏差出現較大波動時，就能夠適宜地添加一個較大的調節作用。如此就能夠降低偏差變動頻率，優化調整品質，提高控制器的動作幅度，縮短調節時間。

當被調整參數固定在一定數值以后，微分積累暫停作用了，此時即使在出現較大偏差，調整器也不會繼續動作。所以純微分積累是實現不了穩態偏差消除的目的。按照以上PID 控制器各個校改環節對飛行模擬器的作用，可以總結出以下參數調整手段。湊試法。湊試法主要是利用控制器將響應曲線（如激波響應）完全輸入，后調整各個參數值，獲得每個參數對控制器的作用規則，重復修改，最終求得預期的響應曲線，如此一來，就能夠獲得PID 控制器的實際考校參數。在湊試以前，必須事先掌握PID 控制器的每個參數在發生變化時控制器對應的響應規律。

在增大比例值K 時，可以讓控制器的響應速度加快，并可以降低其穩態誤差值，可比例值并不是越大越好，比例值達到一定值后就會繼續加大控制器的調整量，最終產生標準狀況下的曲線震蕩，降低飛行模擬器的穩定性。后是積分系數，降低積分系數能夠在一定程度上降低控制器的超調量，減緩曲線震蕩，強化飛行模擬器的穩定性，可還是會對系統穩態誤差的消除速度產生影響。擴大微分常數能夠提升控制器的響應時間，降低系統的超調量，增強飛行模擬器的穩定性，強化其抗干擾性，以確保在后續仿真中飛行器運動狀態的穩定和規律性。

2 發出驅動命令

飛行樣機的運動仿真中，為了使飛機過載飛行模擬器合理運動，對驅動命令進行模擬是必不可缺的，可以在模擬運動副時直接下達驅動指令，也能在運動副模擬以后重新加以定義。定義驅動指令時，按照機構要求的運動方式對初始運動副進行定義，其余運動副均設為從屬狀態。樣機在進行仿真時，為了使機構可以實現預設的運動仿真，可以在仿真機構中對運動狀態進行模擬，或按照運動狀態重新編寫代碼，模擬新的運動狀態，以使機構可以依據所設運動狀態完成運動仿真。合理的驅動指令模擬完成后，機構就能夠繼續運動了，運動過程中能夠更加直觀、具體地看到機構的運動狀況，同時還能夠進一步激活運動傳感器，選擇適宜的對應參數，生成一系列數據表或曲線圖對其運動狀態進行分析。

3 動力學平臺建模

在暫時不考慮拉繩和物理動力學相關特征的前提下，利用Newton-Eular 法模擬飛機過載飛行器平臺的動力學模型以揭示運動狀態：

公式（3）中， ( )M X 代表飛行器平臺的慣性常量，代表非線性方程離心力矩陣，代表平臺飛行器的重力加速度，ew 代表平臺飛行器所受外力承重，除此之外，需要格外注意的是，拉繩牽拉力T 的改變具體可通過公式（4）求解：

式（4）中，RW 代表作用于平臺飛行器的廣義運動矢量，JT代表飛行器的More-Penrose 逆行矩陣。等式右側第一項代表輔助外力的平衡力，第二項則是利用系數W 調節牽拉繩內力的零空間項。

4 運動仿真

為模擬出飛機過載飛行模擬器運動狀態，對飛機過載飛行模擬器及其所選擇控制方法進行仿真，通過控制編程對其進行仿真運動研究。飛行模擬器平臺上的鏈接點與滑輪位置安裝在坐標軸下。假設飛行模擬器平臺質量為1900kg，平臺半徑為100cm，厚度大約有20cm；在坐標系下的慣性力為AGC=diag(241.25，241.25，480)kg。飛行器模型質心P=(0，0，-10)Tcm。按照牽拉繩的強度，繩索直徑選為8mm。仿真計算時采取變步長的三階-四階R unge-Kutta 算法，采樣時間為0.02s。

綜上，在一次飛行跳躍運動過程中，飛行員可以同時經歷正、負兩種過載狀態，而正過載量能夠借助調控參數，如瞬移增值、延長時間等，進一步完成更大過載的機動訓練，而現在普遍使用的Stewart 飛行模擬器平臺至今尚無法完成過載機動。在大過載運動中，本文模擬的平臺位置沿正坐標軸方向做瞬移，所以其牽拉繩上拉屬動繩，拉力先變小再增大。雖然牽拉繩的最大拉力接近30000N，可按照鋼絲繩屬性，依然可以滿足本文強度要求。

5 結語

本文對飛機過載飛行模擬器運動仿真分析進行分析，根據飛機過載飛行模擬器的運動軌跡，對其運動狀態進行仿真設計，實現本文研究。希望本文的研究能夠為飛機過載飛行模擬器運動仿真分析方法提供理論依據。