董文彬 張宏偉 吳 驍 周 展

北京航天自動控制研究所，北京 100854

在航天型號的仿真試驗中，由于舵機(jī)系統(tǒng)特性隨負(fù)載力矩變化，很難對其建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此在仿真試驗中必須采用真實(shí)的舵機(jī)系統(tǒng)。而在地面半實(shí)物仿真試驗中，大多數(shù)試驗室沒有風(fēng)洞，無法模擬由于風(fēng)力變化引起的作用在舵面上的舵機(jī)系統(tǒng)負(fù)載力矩變化，因此在傳統(tǒng)試驗中，使用鋼板加載的方式對舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行力矩加載。傳統(tǒng)的鋼板加載為線性加載，梯度恒定，加載力矩和鋼板的扭轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系。而真實(shí)的舵軸受力情況和舵軸的扭轉(zhuǎn)角度并不是嚴(yán)格呈線性正比關(guān)系的，為了更加真實(shí)地模擬舵機(jī)系統(tǒng)在真實(shí)飛行時的受載情況，需要通過變加載模擬系統(tǒng)完成[1]。

變加載系統(tǒng)是以力(矩)為被調(diào)整量的電液伺服系統(tǒng)[2-4]，根據(jù)承載對象的運(yùn)動規(guī)律又可分為以下2類：主動式加載系統(tǒng)，承載對象不主動運(yùn)動，它的運(yùn)動是因為加載系統(tǒng)的加載力(矩)引起的，這種加載試驗對于加載系統(tǒng)來說又稱為靜態(tài)加載；被動式加載伺服系統(tǒng)，承載對象主動運(yùn)動，加載系統(tǒng)在跟隨其運(yùn)動的同時進(jìn)行加載，這種加載又稱為動態(tài)加載。本文的變加載系統(tǒng)是一個典型的被動式電液力(矩)伺服加載系統(tǒng)，舵機(jī)和負(fù)載模擬器是相互作用相互影響的[5]，系統(tǒng)組成如圖1所示。左邊是承載對象，右邊是加載系統(tǒng)。

圖1 變加載仿真系統(tǒng)示意圖

1 試驗系統(tǒng)組成

本文研究的變負(fù)載模擬系統(tǒng)是基于某飛行型號來設(shè)計的，仿真試驗原理框圖見圖2。

在加上變負(fù)載之后的閉環(huán)試驗中，地面仿真計算機(jī)通過A/D接口板采樣舵機(jī)輸出的擺角信號，進(jìn)行控制力、氣動力和箭體運(yùn)動方程等模型計算。計算完成后將模型輸出的視速度增量和角度增量信號送給慣組模擬器，慣組模擬器通過并口上傳給控制組合?？刂平M合獲得飛行器當(dāng)前的角度、視速度數(shù)據(jù)后，由飛行軟件進(jìn)行姿態(tài)、彈道參數(shù)迭代計算，導(dǎo)引計算和控制信號解算，形成舵機(jī)的動作指令，舵機(jī)指令下傳給舵機(jī)控制器，舵機(jī)控制器根據(jù)指令利用功放驅(qū)動電動舵機(jī)帶動變負(fù)載裝置轉(zhuǎn)動，模擬飛行狀態(tài)的擺角輸出。同時，地面仿真機(jī)將計算好的負(fù)載力矩指令傳給變負(fù)載模擬器對舵機(jī)進(jìn)行加載，電動舵機(jī)再通過固連在輸出軸上的角電位器反饋輸出擺角電壓信號，送給地面仿真計算機(jī)內(nèi)的A/D采樣板，完成系統(tǒng)的閉環(huán)仿真。試驗系統(tǒng)的照片如圖3所示。

圖2 使用了變負(fù)載模擬器的半實(shí)物仿真試驗原理圖

圖3 基于某飛行型號的變加載模擬試驗系統(tǒng)

2 加載試驗分析

下面通過2種試驗對變加載系統(tǒng)進(jìn)行研究。

(1)梯度試驗

傳統(tǒng)試驗中，模擬力矩使用的是負(fù)載鋼板，加載為線性正梯度力矩，力矩作用為單一的阻礙舵面轉(zhuǎn)動，梯度唯一且不能夠?qū)崿F(xiàn)反向加載。在本文中，先將負(fù)載模擬器當(dāng)做負(fù)載鋼板使用，使其加載線性力矩。試驗中計算機(jī)經(jīng)角位移傳感器采集角位移信號，進(jìn)而根據(jù)設(shè)定好的梯度值計算出加載指令，計算時使加載梯度分別為0(不加載，加載軸隨著舵軸轉(zhuǎn)動)，1，2，-1(反向加載，作用為幫助加載軸轉(zhuǎn)動)，-2。通過運(yùn)行同一條真實(shí)彈道，研究加載模擬器代替可變梯度鋼板的力矩加載追蹤效果。

從圖4～8中可以看到，在運(yùn)行真實(shí)彈道、不同加載梯度的試驗環(huán)境下，負(fù)載模擬器都可以較為準(zhǔn)確的模擬出所需加載力矩，以代替不同加載梯度的鋼板作用。由此可見，負(fù)載模擬器可以實(shí)現(xiàn)不同線性梯度加載的功能。

圖4 梯度為0時加載效果

圖5 梯度為1時加載效果

圖6 梯度為2時加載效果

圖7 梯度為-1時加載效果

圖8 梯度為-2時加載效果

(2)實(shí)時加載試驗

此試驗中仿真機(jī)通過解算出的姿態(tài)角，根據(jù)受力力矩公式計算出加載力矩，在給慣組模擬器發(fā)送指令的同時將力指令傳送給變加載系統(tǒng)，由變加載系統(tǒng)對舵軸進(jìn)行實(shí)時加載，加載曲線見圖9。

圖9 實(shí)時加載試驗時加載效果

可見負(fù)載模擬器在實(shí)時加載中可以很好的復(fù)現(xiàn)實(shí)時力指令。

3 加載影響分析

將傳統(tǒng)試驗時采用鋼板加載時的曲線和同彈道采用實(shí)時加載時的曲線進(jìn)行對比，將它們的同一舵機(jī)的線位移傳感器采樣放在一起分析實(shí)時加載相比傳統(tǒng)鋼板加載對舵機(jī)線位移的影響(線位移傳感器裝在舵機(jī)內(nèi))，見圖10。

圖10 真實(shí)加載時和鋼板加載時線位移比較

由圖10可見，采用實(shí)時加載時舵機(jī)系統(tǒng)的線位移曲線和采用鋼板時線位移的曲線重合度較好，可以說明負(fù)載模擬器在做真實(shí)加載時相比鋼板加載對舵機(jī)線位移的影響不大，負(fù)載模擬器的可變加載在半實(shí)物仿真試驗中應(yīng)用是可行的。

將鋼板加載時的線位移，梯度0加載(空載)時的角位移，梯度1和2加載時的角位移進(jìn)行對比，如圖11所示。

圖11 不同加載梯度對舵機(jī)角位移影響

由圖11可見，在空載時，角位移和鋼板加載時的線位移變化不大。在進(jìn)行加載之后，角位移的幅值有明顯的降低，而對動態(tài)特性的影響不大。由于角位移傳感器通過機(jī)械連接裝置安裝在舵軸的外方，正加載力矩的作用效果為阻止舵軸轉(zhuǎn)動，因此可以推斷出由于加載力的阻礙影響引起了連接裝置的形變，使得角位移傳感器輸出相比線位移傳感器輸出被“吃”掉了一個角度，且隨著加載力矩的增大，引起的形變也更大。

將鋼板加載時的線位移，梯度0加載(空載)時的角位移，梯度-1，-2加載時的角位移進(jìn)行對比，如圖12所示。

由圖12可見，負(fù)加載梯度加載時，角位移的變化沒有正加載梯度變化時明顯，因為負(fù)梯度加載力矩的作用是助推舵機(jī)轉(zhuǎn)動，使得連接裝置的變形并沒有正加載時的變形大，從而使得角位移變化相對較小。

圖12 負(fù)加載梯度對角位移影響

4 結(jié)論

本文采用某型號的實(shí)物系統(tǒng)，用不同的加載形式、模擬真實(shí)飛行彈道進(jìn)行了試驗。針對負(fù)載模擬器的加載情況和舵機(jī)的線位移、角位移輸出比對進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1)對于采用扭轉(zhuǎn)形式的舵機(jī)系統(tǒng)來說，采用變負(fù)載模擬器可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼板加載，且加載梯度可變，這對于摸索不同加載極限條件下的舵機(jī)性能指標(biāo)是有幫助的，且具有對扭轉(zhuǎn)形式舵機(jī)加載通用化的應(yīng)用潛力。變負(fù)載模擬器可以很好地跟蹤仿真機(jī)實(shí)時計算出的力指令，真正實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)鋼板加載不能做到的非線性可變加載。

2)實(shí)時變加載時舵機(jī)的線位移輸出相比傳統(tǒng)鋼板加載的線位移輸出變化不大，此線位移在并入仿真回路后，系統(tǒng)控制仿真結(jié)果和在傳統(tǒng)鋼板加載下的仿真結(jié)果基本一致?？芍谑褂脤?shí)時變加載時，舵機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)并無發(fā)散，能夠正常運(yùn)行，因此變負(fù)載模擬器的實(shí)時可變加載在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是可行的。

3)在對不同加載情況下，將舵機(jī)線位移輸出和角位移輸出對比后可知，由于角位移裝在舵機(jī)轉(zhuǎn)軸外端，連接裝置的變形導(dǎo)致在有正向加載力矩時角位移輸出幅值下降明顯。而在進(jìn)行反向力矩加載時舵機(jī)角位移幅值變化較小。由于在飛行中舵面的角度變化也是在舵軸輸出軸外端，角位移(包含形變)可以反映更加真實(shí)的飛行情況，此研究給測量飛控系統(tǒng)外端舵面的真實(shí)角位移情況提供了一種試驗手段，對其進(jìn)一步的研究具有參考意義。

[1] 汪首坤,等.導(dǎo)彈舵機(jī)動態(tài)加載技術(shù)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2007,3:44-45.

[2] 華清,等.電液負(fù)載模擬器的精確數(shù)學(xué)模型[J].機(jī)械工程學(xué)報,2002,38(11):31-35.

[3] 張曉旭.電液負(fù)載仿真臺數(shù)學(xué)模型及動態(tài)特性的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[4] 劉長年．液壓伺服系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論[M]．冶金工業(yè)出版社,1989,8.

[5] 焦宗夏,等.電液負(fù)載模擬器的復(fù)合控制[J].機(jī)械工程學(xué)報,2002,12:78-80.