飛機地面試驗加載系統設計與應用

張勇，曾憲忠

(上海飛機設計研究院 民用飛機模擬飛行國家重點試驗室，上海 201210)

0 引言

在飛機地面試驗中，需要模擬飛行環境，其中飛機舵面的載荷是直接影響飛控系統性能的典型外部環境之一。工程實踐中，伺服加載系統是模擬飛機在飛行中舵面所受氣動力載荷的重要設備，能夠為舵面飛控系統提供較為真實的工況，以檢測飛控系統的靜、動態特性。

鄒海峰等通過建立舵機加載系統數學模型，進行理論仿真進而設計出抑制多余力矩的控制方法[1]；張家盛等以主飛控舵面中的升降舵作為分析對象，研究探討多種集中加載方法的利弊[2]。本文則以某型飛機舵面加載系統為例，對加載控制系統原理、設計、多余力矩抑制進行分析，并通過試驗進行設計驗證，試驗結果證明本系統的設計科學合理，值得借鑒。

1 加載系統功能要求

飛機地面試驗中需要開展舵面有載偏轉速率試驗、舵面卡阻等試驗項目，需要配置加載系統為地面試驗提供必要的加載力。加載系統需滿足以下功能要求：

1) 能夠仿真飛機舵面的氣動力載荷變化，對飛控作動系統施加可控的變化載荷，用于檢驗飛控作動系統在氣動鉸鏈力矩作用下的功能和性能。

2)可以接收飛機飛行狀態參數信號(如空速、高度、舵面角度等)，根據載荷函數解算當前飛行狀態下的載荷，并對飛控系統進行實時加載。

3)能夠同時對多個舵面協調、實施動載荷，準確地將載荷加載到各飛控作動系統上。

4)具有載荷控制、位移輸出、狀態監控、安全保護和抗干擾功能。

5)可以顯示各種信號，指示加載工作狀態、輸出力、位移。

2 系統總體設計方案

2.1 系統工作原理

在進行加載試驗時，參與試驗的有飛行仿真計算機、舵面加載系統和飛控系統3個組成部分。加載系統的工作原理圖如圖1所示。

圖1 加載系統工作原理圖

1)飛行仿真計算機。飛行仿真系統根據試驗場景要求設置飛機狀態參數，并將飛機的空速、高度參數發送給舵面加載系統和飛控系統。

2)舵面加載系統。舵面加載系統控制器接收飛行仿真計算機的輸入信號，綜合位移傳感器的舵面位置反饋，實時計算該狀態的載荷數據，并通過加載作動器施加在舵面上。由力反饋通道監控加載狀態，控制加載誤差。

3)飛控系統。飛控系統接收飛行仿真系統的輸入參數，維持飛控系統的正常工作，并基于輸入參數控制舵面偏轉。

2.2 系統總體設計方案

加載系統的總體設計方案如圖2所示。主要包括：

圖2 加載系統的總體方案

1)遠程控制計算機。主要由硬件工控機和客戶端控制軟件組成，用以實現加載系統資源管理、通道參數設置和試驗狀態監控。

2)實時加載計算機。主要由高性能工作站和實時操作系統組成，用以實現實時數據通訊、加載指令的實時計算和實時輸出、系統安全監控保護和協調控制功能。

3)伺服控制計算機。主要由實時零槽控制器和伺服控制板卡組成，用以實現控制策略實時閉環計算、伺服閥驅動、系統反饋傳感器調理和采集。

4)加載作動系統。飛機地面有載試驗考核的是飛控系統的性能，具體就是作動系統的能力。根據飛機飛控系統的結構形式，可以考慮集中加載方式。通常系統使用點對點的加載形式，即一個飛機作動筒對應一個加載作動器[3]。

5)其他輔助組件。包括應急急停裝置、網絡通信系統、液壓能源系統等。

在數據網絡設計上將不同實時性要求的數據分網傳輸，將不參與加載系統閉環控制且對實時性要求不高的部分采用以太網連接，將參與加載系統閉環控制且對實時性要求高的部分采用光纖連接，大大提高了系統的實時性[4]。

飛控系統架構分為主飛控加載系統和高升力加載系統，分別對主飛控系統和高升力系統的作動器進行氣動力模擬加載，滿足各子系統獨立試驗的需求。

3 加載控制系統設計

加載控制系統的控制設計中重點需要解決動態性能、多余力矩及加載輸出力誤差等問題。

3.1 載荷譜設計

雖然飛機在空中的氣動力狀態是連續的，但在鐵鳥舵面加載試驗過程中，可以將加載狀態離散化處理[5]，建立舵面氣動力載荷與飛機高度、速度、舵面角度的對應關系。可以在計算機中建立典型的飛行數據矩陣表，即載荷譜，對于未落在典型數據表中的數據，采用插值法解算加載值，并反饋控制指令，實現加載力的連續控制，如式(1)所示。

∑i，j，k={Fα，k，α(i，j)，k}

(1)

式中：i=1，2，…，n，代表第i個飛行高度狀態點；j=1，2，…，n，代表第j個空速狀態點；k=1，2，…，n，代表第k個加載點；α(i，j)，k代表在飛行高度和空速(i，j)組合的飛行狀態下，第k個加載點處相應舵面偏轉角度；Fα，k代表第k個加載點處，舵面偏度為α時的加載力，它是第k個加載點處舵面偏轉角度α在飛行條件為(i，j)狀態下的函數。

Fα，k=f(αk|(i，j))

(2)

由(Fα，k，α(i，j)，k)形成的離散數據集即為載荷譜，在加載系統實現實時加載過程中，加載系統的位移傳感器將實時提供加載點k對應舵面的偏轉角度α，加載控制計算機根據載荷譜∑i，j，k實時解算出k點的載荷值Fα，k，并發出加載控制指令。

3.2 動態性能設計

飛控加載系統屬于被動加載，跟隨運動舵面的運動實時進行動態加載，加載系統應有較好的動態跟隨性。

文獻[6-7]說明了前饋補償器可較好地抑制系統干擾載荷，研究了改進前饋逆補償的加載控制算法，提高加載力的控制精度。系統設計時，需要滿足以下要求：

1)選擇高動態、高響應的伺服驅動系統，保證執行元件的高動態性能。

2)選擇響應速度快的位移控制傳感器和力控制傳感器作為反饋元件。

3)選擇增加液壓阻尼器，適當增大內泄漏系數可以有效增大系統的阻尼，從而增大二階慣性阻尼比，達到增加系統穩定性、增大增益調節范圍、提高系統響應速度的目的。

4)優化PID控制算法，選取適當的PID系數實現傳遞函數的近似對消，提高開環增益達到提高系統響應帶寬的目的。

3.3 多余力控制

1)超速區的多余力矩：通過增大伺服閥最大空載流量來有效消除。

2)逆向流動區的多余力矩：通過選用大預開口伺服閥或兩腔裝有連通孔的零開口伺服閥來消除，也可以用在伺服閥進口增加液壓阻尼器的方式來消除。

圖3 零開口伺服閥的全局負載流量曲線

3.4 加載誤差

加載系統的誤差來源于3個方面：

1)機械安裝誤差δ1。機械安裝誤差由機械安裝時作動筒兩端鉸鏈安裝孔與加載原理圖中心點偏差以及作動筒工作長度決定。通過控制安裝精度，可將δ1控制在<0.3%的范圍內。

2)測試系統誤差δ2。測試系統誤差由傳感器精度和測控系統的精度決定，通過采購高精度的測試元件，可以將δ2控制在<1%的范圍內。

3)伺服加載誤差δ3。伺服系統的誤差主要由控制通道的控制器PID調節決定，通過優化PID控制算法，能夠將δ3控制在<2.5%的范圍內。

則系統的綜合誤差δ如式(3)所示，理論上可以有效控制在5%的范圍內。

(3)

圖4是方向舵加載系統的調試數據，圖中3條曲線分別為加載力矩反饋曲線、5%誤差的上、下包絡線。從測試數據來看，舵面角度在-30°～30°的范圍內運動，加載力的誤差始終較好地控制在5%的誤差線范圍內。

圖4 加載系統誤差測試曲線

4 試驗應用

加載系統為飛控系統地面模擬試驗提供了可靠的載荷試驗環境，大量的有載狀態試驗表明，不管哪種試驗，加載系統都是針對舵面某個運動狀態下的跟隨性載荷進行控制的。以某機型多功能擾流板的加載試驗為例(圖5)，從試驗數據可以看到，加載系統實現了(-1 260N，976N)之間的平穩加載跟隨，試驗過程中未對被試系統造成振動、沖擊、擾動等干擾現象，很好地實現了跟隨性加載的目標要求。

圖5 加載試驗數據曲線

5 結語

飛控地面模擬試驗加載系統是在飛控系統研制過程中非常重要的試驗裝置之一。本文通過對地面試驗加載系統設計和應用，提出了加載系統設計的方案及關鍵問題，并依據工程實踐提出了解決方案。通過試驗驗證，該加載系統能夠滿足試驗要求，正確有效地模擬作動系統的氣動載荷。