吳 偉，張 毅

（西京學院 研究生部，西安 710123）

航空座艙駕駛儀表模擬系統是為滿足航空設備教學實訓要求而設計的，用于模擬飛行儀表和發(fā)動機儀表的工作條件，實現飛行數據的仿真指示。通過模擬操控飛行姿態(tài)，觀察儀器儀表在飛行過程中示數的變化，從而使學員初步了解飛機的基本飛行原理及其駕駛技術。

飛行員需要不斷地了解飛機的飛行狀態(tài)、發(fā)動機的工作狀態(tài)和其他分系統如座艙環(huán)境系統等的工作狀況，以便操縱飛機完成飛行任務，這些信息需要由航空儀表以及相應的傳感器等系統提供。文獻[1]結合大型運輸機綜合訓練器的研制，提出并建立了實物儀表與虛擬儀表相結合的飛機儀表系統。該系統需要分別對實物儀表和虛擬儀表進行控制，設計過程復雜、開發(fā)成本高。由于模擬器大量采用仿真儀表，如何處理驅動、控制的復雜性和穩(wěn)定性是其設計中的主要難題之一[2-3]。文獻[4]建立了基于單片機與步進電機等構成的飛機訓練仿真器儀表控制系統，成功解決了以往該類控制系統存在的一些問題，例如定位精度不高，積累誤差大，隨動性能低等。文獻[5]通過對現代機電控制技術的研究，提出了一種基于I2C總線的一體化機械儀表的驅動控制方法。

通過研究現有的飛機座艙駕駛儀表系統結構，并對其驅動控制方法進行比較，本文設計了一種新的可靠性高、便于使用及維護、成本低的航空駕駛儀表模擬控制系統。

1 系統原理及組成

1.1 系統原理

結合飛機飛行的真實工作條件，分析各個儀表的工作信號，對其進行模擬并施加到儀表上，使其正常工作并指示準確數值。根據信號源的性質，可將信號分為模擬信號和氣壓信號。模擬飛機真實工作條件而生成的模擬信號，通過模擬系統仿真后加到模擬信號儀表上，實現儀表的指示工作；氣壓信號通過模擬系統模擬出大氣壓力的變化，作用到氣壓信號儀表上，實現氣壓信號儀表的指示工作。系統原理如圖1所示。

圖1 系統原理簡圖Fig.1 Schematic diagram of the system

1.2 系統組成

根據相對獨立工作的設計要求，將航空駕駛儀表模擬系統劃分為3個部分：飛機儀表、模擬系統和操作控制系統。

依據所采用的驅動方式，可將飛機儀表劃分為3類：飛行儀表[6]、全靜壓系統儀表[7]和發(fā)動機儀表[8]。1.2.1 儀表特點

（1）飛行儀表用于指示飛機的飛行運動參數。本系統設置有地平儀、轉彎側滑儀、航向指示器。

（2）全靜壓系統儀表是指利用全靜壓系統[9]驅動的儀表。所謂“全壓”就是飛行器正對氣流的表面氣流全受阻時的壓力；所謂“靜壓”，是垂直于氣流運動方向的且不受流速影響而測得的壓力。本系統采用的全靜壓儀表有：空速表、高度表、升降速度表。此外座艙高度壓差表也需使用全靜壓系統實現指示工作。

（3）發(fā)動機儀表主要用于指示飛機發(fā)動機的狀態(tài)，本系統設置有轉速表、耗量/油量表、三用表。

1.2.2 模擬系統

在模擬系統中，驅動設備用于產生各儀表的驅動信號，可分為飛行儀表及全靜壓系統儀表驅動設備和發(fā)動機儀表驅動設備，其組成部件如表1所示。

表1 模擬系統組成部件表Tab.1 Components of the simulation system

1.2.3 操作控制系統

操作控制系統的主要功能是操縱各部件，并對模擬系統產生的信號進行控制，使儀表產生對應的指示功能。如圖2所示，其典型的控制部件有位置拉桿與信號旋鈕。位置拉桿用于控制儀表板的上下翻轉和左右翻轉，以實現地平儀的俯仰和傾斜指示；全（靜）壓信號旋鈕用于控制氣壓信號的大小，以實現氣壓驅動儀表的指示功能。

圖2 操作控制系統Fig.2 Operating control system

2 實施方案

用模擬系統生成飛行信號，通過控制系統實現儀表的指示控制。本系統采用真空泵及相應的管路組成全靜壓系統來控制相應的儀表，仿真飛行過程由于氣壓信號的變化引起的儀表指示過程。同時，考慮儀表、設備的重量進行布局分析，使用兩個真空泵解決儀表板的配重問題，以使其達到水平平衡狀態(tài)。

2.1 全靜壓系統儀表

全靜壓系統感受氣流的全壓和靜壓，分別輸入到膜盒內外，利用氣流的壓力差促使膜盒變形，帶動指針指示飛機的速度、高度等飛行參數。在構造全靜壓系統之前，需對所選用儀表的工作條件進行分析，選用能夠滿足其要求的真空泵作為壓力源。全靜壓系統功能簡圖如圖3所示。

圖3 全靜壓系統功能簡圖Fig.3 Simulation of pitot-static system

根據開口膜盒的工作原理，空速表測量相對氣流的壓力來間接表示空速。本系統將真空泵Ⅰ的全壓口和真空泵Ⅱ的靜壓口通過管路分別接在空速表的全、靜壓口上，調節(jié)壓力信號旋鈕控制真空泵的輸出壓力，實現空速表的指示工作；高度表將真空泵Ⅱ的靜壓口與高度表的靜壓口相接，通過調節(jié)泵的輸出壓力來控制高度表的指針指示；升降速度表的連接、控制方法與高度表相同。座艙高度壓差表采用真空泵Ⅰ、Ⅱ產生壓差，其大小通過氣壓信號旋鈕調節(jié)。

2.2 飛行儀表

儀表飛行技術是指駕駛員按儀表的指示操縱飛機、判斷飛行狀態(tài)、測定飛機位置的飛行技術。它是復雜氣象、夜間和海上飛行技術的基礎，是飛行員必須掌握的基本飛行駕駛技術。培養(yǎng)按儀表指示操縱飛機和靠儀表指示飛行是飛行員技能訓練必不可少的環(huán)節(jié)。該類儀表工作環(huán)境的模擬，需要保證提供儀表工作所需電壓使其正常運轉，以及通過人為操作的手段進行姿態(tài)控制。

（1）地平儀

地平儀通過傳感器測量飛機的傾斜角、俯仰角，并轉換成相應的電信號，輸送給地平儀指示器，復現飛機的傾斜角度、俯仰角度，供飛行員判讀。地平儀中的陀螺沿水平方向轉動，兩個機架或平衡環(huán)用于感受飛機的俯仰和滾轉。陀螺具有空間穩(wěn)定性，保持在一個固定位置，而飛機沿這一固定位置旋轉[6]。

本系統采用交流電源36 V/400 Hz供電，驅動地平儀進入工作狀態(tài)。通過調節(jié)位置拉桿實現儀表板的俯仰或傾斜，模擬飛機的飛行狀態(tài)，并在地平儀上實時顯示。

（2）轉彎側滑儀

轉彎側滑儀用來指示飛行器的轉彎方向、側滑方向、側滑程度及轉彎快慢，屬于組合儀表，稱為轉彎側滑儀。在本系統中，采用直流電源28 V驅動，通電后使其進入工作狀態(tài)，通過位置拉桿調節(jié)儀表盤的轉動方向，模擬飛機的飛行姿態(tài)，實現轉彎側滑儀的實時指示。

（3）航向指示器

航向指示器為飛行員提供航向指示，采用傳感器進行驅動。本系統中，將位置傳感器（GE-1M）輸出的3路信號接到航向指示器（ZH-9）上，通過控制航向信號旋鈕對其進行控制。

2.3 發(fā)動機儀表

通過儀表兩端電壓的變化模擬發(fā)動機儀表的工作信號。如式（1）所示，根據電阻串聯分壓的原理，將儀表內阻作為一個固定電阻R0，調節(jié)電位計旋鈕阻值RX，促使儀表兩端電壓U0變化，實現儀表指針的偏轉及指示。

（1）三用表

三用表包括滑油溫度表、滑油壓力表和燃油壓力表，分別與對應的傳感器連接，實時指示發(fā)動機的工作狀態(tài)。在本系統中，采用電位器原理控制三用表的工作。電位計由電阻體和可移動的電刷組成，具有3個引出端，阻值可按某種變化規(guī)律調節(jié)。當電刷沿電阻體移動時，在輸出端即獲得與位移量成一定關系的電阻值和電壓。

（2）耗量/油量表

耗量表用于測量并指示發(fā)動機的燃油消耗量。本系統中，通過耗量傳感器（GXR-1A）來驅動，采用小風扇吹動耗量傳感器的風扇模擬燃油流動，以實現耗量表的工作。

油量表用于指示發(fā)動機燃油油箱內油量。本系統采用與三用表相同的控制方法。

（3）發(fā)動機轉速表

利用同步電機的原理，轉速表傳感器將發(fā)動機主軸轉速轉變?yōu)殡妱觿菪盘杺鹘o指示器，電動勢的頻率與轉速成正比。指示器的測量部分利用旋轉磁鐵組的磁場與金屬盤上的感應電流磁場相互作用來帶動指針，其中金屬盤產生的轉動力矩與旋轉磁鐵組的轉速成正比，并被游絲平衡。金屬盤帶動指針轉動的角度與旋轉磁鐵組的旋轉角速度成正比。本系統用三木電機（4IK25RA-C）模擬飛機發(fā)動機，與轉速傳感器相連，利用數顯調速器（US-52）控制電動機的轉速，將傳感器信號接入轉速表（ZZT-1）。

3 測試試驗

系統測試流程如圖4所示。試驗之前，需確認電源插頭連接牢固，開關處于關閉狀態(tài)。測試過程如下：

（1）對于模擬信號儀表，通過控制位置拉桿及電位計旋鈕調節(jié)飛機的飛行姿態(tài)，使相應的儀表實現飛行參數的指示。

（2）氣壓信號儀表的控制靠全、靜壓信號旋鈕控制，通過調節(jié)全、靜壓信號旋鈕實現大氣壓力的變化，使所對應的氣壓信號儀表指示飛機的升降、座艙壓力變化等。

圖4 系統測試流程圖Fig.4 Texting flow chart of the system

在全靜壓系統測試時，首先采用全靜壓滲漏測試儀檢測氣壓信號儀表，待其工作正常后方可接入全靜壓系統。

4 結語

本文分析了飛機座艙駕駛儀表的功能原理，提出了模擬飛行狀態(tài)及控制儀表的方法，詳細描述了模擬系統的設計方案及整機的測試流程。該系統是一個復雜的非線性控制系統，需要在后續(xù)的研究中，進行多變量控制的研究，以提高系統的仿真效果；同時，要結合學員培訓的實際需要，綜合使用多種控制方法，使飛機座艙駕駛儀表模擬系統具有更好的穩(wěn)定性、實時性。目前該系統已完成開發(fā)，并應用到了教學、實訓中，其性能得到了飛行訓練人員的認可。

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[9] Wikipedia，Pitot-static system[EB/OL].（2014-04-08）[2014-05-16].http：//en.wikipedia.org/wiki/Pitot-static_system.