金學(xué)良

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201200)

民用飛機一般配置多余度作動系統(tǒng)來提高電傳飛控系統(tǒng)的可靠性和安全性［1］。由于多余度作動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式不同以及元部件的制造和安裝誤差積累，可能會導(dǎo)致控制同一舵面的不同作動器位移輸出不同步，繼而導(dǎo)致同一舵面的不同作動器間相互抗?fàn)?，這種現(xiàn)象稱為力紛爭現(xiàn)象。力紛爭現(xiàn)象將導(dǎo)致操縱舵面的扭曲，引起舵面的疲勞破壞，嚴(yán)重時危及飛行安全。因此，飛控系統(tǒng)設(shè)置了力紛爭控制律來減緩或消除力紛爭現(xiàn)象。為了確定力紛爭控制律的設(shè)計是否滿足系統(tǒng)要求，必須采用試驗方法加以驗證。

為了驗證飛控系統(tǒng)的力紛爭控制律，本文設(shè)計了一種力紛爭試驗方法，即在系統(tǒng)的位置反饋回路中注入不同步指令來實現(xiàn)力紛爭。

1 力紛爭試驗方法

力紛爭試驗?zāi)軌蝌炞C飛控系統(tǒng)設(shè)計需求的正確性、評價力紛爭控制律的優(yōu)良，也是民用飛機適航驗證試驗的一項重要內(nèi)容。力紛爭控制律集成在飛控計算機中，主要包括力紛爭均衡和力紛爭監(jiān)控兩部分，用來減緩或消除力紛爭現(xiàn)象。

定義控制同一舵面的多作動器間的兩腔壓力差之差為DDP，力紛爭控制律設(shè)置了DDP監(jiān)控的幅值門限P1和P2、次數(shù)門限值N和時間門限T。當(dāng)DDP超過門限值P1并保持T時，或當(dāng)DDP超過門限值P2并累計到N次時，力紛爭監(jiān)控器觸發(fā)，飛控計算機發(fā)出控制指令切換作動器工作模式，由主動模式變?yōu)楸粍幽Ｊ?，只保留一個主動作動器驅(qū)動舵面，從而消除舵面作動器間的力紛爭。

力紛爭的試驗通常是對同一控制面的多個作動器輸入不同步指令來制造力紛爭。對于分布式數(shù)字電傳飛控系統(tǒng)，如圖1所示，采用遠(yuǎn)程控制電子對作動器進行直接控制，飛控電子和遠(yuǎn)程控制電子之間通過數(shù)據(jù)總線連接。每個作動器上安裝LVDT位置傳感器來檢測作動器的輸出位移，并反饋給對應(yīng)的遠(yuǎn)程控制電子，形成位置控制閉環(huán)。

圖1 LVDT信號注入原理

對于這種分布式數(shù)字電傳飛控系統(tǒng)，若從駕駛艙對兩個作動器注入不同步指令，由于飛控電子內(nèi)部的表決機制及監(jiān)控邏輯，不同步的控制指令將無法傳輸?shù)阶鲃酉到y(tǒng)。因此，提出了一種在作動器LVDT位置反饋上迭加控制指令的信號注入方式，通過LVDT注入設(shè)備，在斷線盒處注入控制指令，使得舵面的兩個作動器的控制指令產(chǎn)生差值，從而產(chǎn)生力紛爭。安裝在作動器上的壓差傳感器將作動器的兩腔壓差信號反饋給遠(yuǎn)程控制電子，再通過數(shù)據(jù)總線反饋給飛控電子，判斷力紛爭監(jiān)控器是否觸發(fā)。

2 力紛爭試驗仿真

2.1 系統(tǒng)建模

現(xiàn)代民用飛機的作動系統(tǒng)都是多余度的，其液壓部分是一個閥控液壓缸系統(tǒng)，以雙余度作動系統(tǒng)為例，使用AMESim軟件建模，如圖2所示。其工作原理為：控制指令通過相同的增益環(huán)節(jié)K發(fā)送指令給兩個作動器，驅(qū)動兩個作動器共同控制舵面運動。用位移傳感器把液壓缸的位移轉(zhuǎn)換為電信號，并與給定的位移信號進行比較后輸出閉環(huán)控制的誤差信號，所得到的誤差通過PID校正環(huán)節(jié)后驅(qū)動伺服閥動作，以此接通或切斷液壓缸的液壓油供應(yīng)并改變供油方向，從而實現(xiàn)對液壓缸位移的大小和方向的控制。在其中一個控制通道，通過注入外部信號來改變液壓缸的位移控制指令，使得兩個通道作動器輸出位移不一致，同時檢測兩個作動器的兩腔壓力差，監(jiān)控DDP狀態(tài)，判斷系統(tǒng)是否觸發(fā)力紛爭監(jiān)控。

圖2 力紛爭試驗?zāi)Ｐ?/p>

2.2 仿真分析

力紛爭試驗?zāi)Ｐ偷姆抡娼Y(jié)果如圖3，4所示。由圖可知，在對系統(tǒng)注入很小的偏差信號時，作動器兩腔壓差變化較大。假設(shè)力紛爭幅值監(jiān)控門限為P1，次數(shù)監(jiān)控門限為N，當(dāng)監(jiān)控到DDP第三次超過P1后，系統(tǒng)監(jiān)控器將觸發(fā)。

圖3 壓差仿真結(jié)果

圖4 系統(tǒng)輸入偏差及輸出邏輯

設(shè)置輸入偏差信號為長周期方波信號，當(dāng)DDP大于力紛爭監(jiān)控器的幅值門限P2時，系統(tǒng)輸出為1，如圖5，6所示。當(dāng)輸出信號1的持續(xù)時間大于力紛爭監(jiān)控器的時間門限T時，系統(tǒng)觸發(fā)力紛爭監(jiān)控。

圖5 壓差DDP仿真結(jié)果

圖6 長周期方波輸入及輸出邏輯

由仿真結(jié)果可知，在作動系統(tǒng)位置反饋信號處注入偏差指令可以觸發(fā)力紛爭監(jiān)控。由于飛機作動器的位置傳感器通常采用線性可變差動傳感器(LVDT)，為了在LVDT傳感器上注入位置偏差，需要了一種力紛爭試驗裝置來支持力紛爭試驗。

3 力紛爭試驗裝置

采用LVDT信號注入裝置在作動器的位置反饋處對余度作動器注入不同步指令，如圖7所示，裝置串聯(lián)在作動器LVDT傳感器與遠(yuǎn)程控制電子之間。LVDT信號注入裝置不打斷激勵信號，只針對反饋信號做處理。利用位于傳感器后的2路AD采集通道，采集傳感器輸出的2路交流差動電壓信號，利用已知的傳感器靈敏度系數(shù)或者傳感器的輸出特性曲線，通過數(shù)學(xué)計算得到傳感器的位移量，從上位機發(fā)出偏差指令迭加到已檢測的位移量上，再利用2路D/A通道輸向遠(yuǎn)程控制電子。

圖7 LVDT信號注入裝置原理

a．信號調(diào)理：將傳感器輸出的交流差動電壓信號，轉(zhuǎn)換為與傳感器位移成線性關(guān)系的直流電壓量。

b．信號采集：A/D采集板卡對經(jīng)過信號調(diào)理之后的直流電壓信號進行采集。

c．?dāng)?shù)字解調(diào)：在已知傳感器輸出特性曲線時，只需要獲得傳感器2路交流反饋信號電壓的有效值即可求得其位移量［2］。

d．信號注入：通過上位機可以將偏差指令發(fā)送給下位機(嵌入式實時處理器)，下位機將偏差指令迭加到已解算的作動器位置反饋信號上，并通過DA板卡輸出到遠(yuǎn)程控制電子。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于LVDT信號注入的力紛爭試驗方法，并通過AMESim建模仿真驗證了該試驗方法的可行性。為了在實際工程中應(yīng)用該力紛爭試驗方法，提出了一種LVDT信號注入的實現(xiàn)方案，能夠滿足力紛爭試驗的需求。此種試驗方法在工程領(lǐng)域具有較高的實用價值。

［1］ 劉林，郭恩友．靈巧式舵機并行驅(qū)動的研究［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報，1996，22(2)：137-170．

［2］ 李飛，張勇，陳慧琴．交流差動變壓器式位移傳感器數(shù)字調(diào)理方法［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2011(1)：84-85．