基于Simulink的飞行模拟器操纵负荷系统仿真设计

基于Simulink的飞行模拟器操纵负荷系统仿真设计

惠立

中航西安飞机工业集团股份有限公司  陕西西安  710089

摘要：操纵负荷系统作为飞行模拟器至关重要的组成部分，能提供真实操纵力感的模拟，随着伺服控制技术和力矩电机性能的提升，操纵负荷系统逼真度和可靠性的需求也越来越强，在开展详细设计之前，有必要对操纵负荷系统进行全数字仿真，以优化设计、及早发现问题、规避技术风险。本文基于Simulink仿真环境，通过对某型飞行模拟器的操纵负荷系统进行全数字仿真，并设计相应PID控制器，为操纵负荷系统的设计研究提供仿真方法和思路。

关键字：飞行模拟器；操纵负荷系统；仿真；PID；

引言

近年来，飞行模拟器凭借其经济性、高安全性和可重复性的特点在飞行训练和飞机设计领域越来越多地得到应用，而操纵负荷系统是真实飞机操纵系统的模拟与仿真，其本质上是一套力矩加载系统，能逼真地复现飞机在不同飞行条件下的操纵特性，操纵负荷系统性能好坏直接影响飞行员的训练，影响对飞行模拟器飞行品质的评定。本文首先介绍力感模拟实现的工作原理；随后在此基础上进行数学建模，主要包括2部分：一是模拟器伺服加载系统的数学模型，二是产生模型力的飞机操纵系统的数学模型；最后在Simulink环境下开展操纵负荷系统仿真设计。

1.工作原理

操纵负荷系统是由操纵负荷计算机、驱动单元、执行机构和反馈单元等几部分组成的， 操纵负荷系统工作原理如图1所示，当操纵驾驶杆时，操纵负荷计算机接收驾驶杆实时位置信号，并接收主飞行仿真计算机的飞行状态、大气环境等外部信号，经操纵负荷模型的计算，生成模型力（模型回路），将模型力与获取的实测力进行，再对力偏差按照PID调节规律进行调整，输出控制信号，通过电机驱动器，驱动力矩电机实现对操纵机构的加载，使当前实际杆力和模型力实时趋于一致，从而实现力感的逼真模拟（控制回路）。

图1  操纵负荷系统工作原理图

2.数学模型

数学模型的建立是操纵负荷研究的基础，也是操纵负荷系统达到逼真仿真效果的关键，对于不同的飞行状态，操纵负荷系统需要加载不同的操纵力，因此，必须建立符合飞行条件的高精确数学模型。

2.1控制回路

控制回路是操纵负荷控制的核心，也是系统性能的主要决定因素。本文采用力回路控制方法，通过控制电机位置输出值，从而实现力的模拟。

（1）力矩电机模型

本系统电机采用某型永磁直流力矩电机，具体参数详情见表1所示。

表1  某型永磁直流力矩电机参数表

在数学建模中，直流力矩电机可以将其等效成与一个线性电阻和电感元件的串联电路，通过物理定律，得到以下两个平衡方程式：

电压平衡方程：

转矩平衡方程:

对上述两个方程进行拉氏变换，获得控制输入与力矩输出的传递函数：

其中光编码器和力传感器用于采集电机轴输出角位移信号以及执行机构输出端的力信号。

通过Simulink搭建电机仿真模型，如图3所示。

图3  电机仿真模型

（2）驱动器模型

采用脉宽调制（PWM）驱动器，能将恒定直流电压调制成极性和大小可控的直流电压，具有功耗低、响应快以及调速平滑等特点，其工作频率（8KHz）远大于系统工作频率(60Hz)，仿真中，可以把PWM驱动器模型简化为比例环节，比例系数为8。

（3）PID控制器

操纵负荷系统要求提供精确快速的力跟踪效果，目前在控制器的设计领域，PID控制算法以其原理简单、适应性强、鲁棒性强等特点在工程界得到了最广泛的应用。PID控制器由比例单元、积分单元和微分单元组成，数学表达式如下：

。

比例系数的控制作用主要是快速的减小系统偏差，提高响应速度，取值过大时，可能会导致系统不稳定；积分环节的主要控制作用在于消除系统的偏差，提升品质，取值应尽可能的使系统调节过程快，超调量小；微分环节的作用主要是控制偏差阻止其变化，增强系统稳定性。

2.2模型回路

模型回路主要是建立在特定的操纵位置下飞行员应感受到的杆力模型，包括静态杆力和摩擦、阻尼等动态杆力。在仿真中，可用线性模型的杆力-杆位移曲线代表实际杆力模型，如图2所示，系统启动力25N，曲线梯度0.72。

图2  杆力模型

3.控制回路数字仿真

在系统详细设计之前，为验证操纵负荷系统性能，优化设计参数，需开展系统全数字仿真，研究其动态响应特性，特性应满足以下要求：

(1)系统应稳定收敛，且稳态误差为0；

(2)驾驶员感受不到驾驶杆的脉动，系统基本无超调或超调很小；

(3)系统调节时间短，确保力跟踪品质。

本文通过Simulink仿真环境搭建全数字仿真模型，如图4所示。

图4 全数字仿真模型

整个系统为力回路模型，采用阶跃信号作为输入激励，由于操纵启动力为25N，阶跃信号幅值设置为30N。经过PID控制器反复迭代调试，当参数

取1.82，取1.17，取0.1时，系统杆力响应曲线如图5所示。

图5  30N阶跃杆力响应曲线

从图中看出，响应曲线在0.6s左右稳定在30N，仿真结果较好，稳定性和快速性基本满足设计要求。

结束语

从仿真结果来看，本文所提供的建模思路和仿真方法，能较好地解决操纵负荷前期设计验证手段不足的问题，该方法具有可移植性，通用性强。但在工程实践中，还需要考虑杆力模型的复杂度以及扰动带来的多余力等因素，以进一步提高仿真精度。

参考文献：

[1]付继科.某型飞行模拟器操纵系统设计与实现[D].哈尔滨工业大学,2016.

[2]姬云,崔坚.飞行模拟器主操纵负荷系统仿真设计[J].测控技术，2014（33）:29-32.