王勇亮，盧 穎，孫方義

（空軍航空大學(xué) 軍事仿真技術(shù)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130022）

電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)原理樣機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王勇亮，盧 穎，孫方義

（空軍航空大學(xué) 軍事仿真技術(shù)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130022）

為提高某型直升機(jī)飛行模擬器人感仿真系統(tǒng)操縱力感逼真度，研制了人感仿真系統(tǒng)原理樣機(jī)，建立了電動(dòng)式力伺服加載系統(tǒng)模型，將模型應(yīng)用于人感仿真系統(tǒng)原理樣機(jī)并進(jìn)行力感試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，人感仿真系統(tǒng)原理樣機(jī)設(shè)計(jì)合理，能夠通過(guò)模型力時(shí)域跟蹤和桿力-位移軌跡跟蹤等來(lái)研究系統(tǒng)的力感跟蹤性能；同時(shí)控制算法研究也表明：常規(guī)PID控制方式難以滿足系統(tǒng)模型力的實(shí)時(shí)精確跟蹤，為提高系統(tǒng)的跟蹤速度和精度，應(yīng)采用前饋補(bǔ)償加PI控制和反饋-前饋迭代學(xué)習(xí)控制等控制策略。

人感仿真系統(tǒng)；原理樣機(jī)；仿真驗(yàn)證；PID控制

人感仿真系統(tǒng)［1-2］是飛行模擬器的重要組成部分，用來(lái)對(duì)飛行員駕駛飛行器的操縱桿力、腳蹬力進(jìn)行仿真，其性能好壞直接影響到飛行模擬器的逼真程度和品質(zhì)評(píng)定。為了研制出性能優(yōu)良的飛行模擬器人感仿真系統(tǒng)，首先要進(jìn)行人感仿真系統(tǒng)原理樣機(jī)的研制，樣機(jī)的合理設(shè)計(jì)與否直接決定人感仿真系統(tǒng)整體操控性能和力感逼真性。本文根據(jù)某型直升機(jī)飛行模擬器電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)的總體方案指標(biāo)［3-4］，設(shè)計(jì)了原理樣機(jī)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，采用合理的控制策略及選取最優(yōu)控制參數(shù)，在原理樣機(jī)上進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并應(yīng)用于實(shí)際的飛行模擬器人感仿真系統(tǒng)中，提高了人感仿真系統(tǒng)的逼真度。

1 硬件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樣機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)是電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，主要用于安裝座椅機(jī)構(gòu)、駕駛機(jī)構(gòu)、力伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及傳感器等測(cè)量元件，整體結(jié)構(gòu)滿足測(cè)試人員的測(cè)試指標(biāo)需求。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：首先，真機(jī)座艙布局尺寸符合人體正常操縱習(xí)慣。其次，由于系統(tǒng)由高精度力伺服電機(jī)進(jìn)行加載，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)盡量減少機(jī)械連接機(jī)構(gòu)，以降低摩擦力和大質(zhì)量慣性的影響。控制柜的設(shè)計(jì)應(yīng)合理布局，避免各通道數(shù)據(jù)通訊線路相互之間的電磁干擾。最后，還得保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的可維護(hù)性和拆裝性，使其易于維護(hù)保養(yǎng)，提高使用壽命。

綜上所述，為使原理樣機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)，以及精確計(jì)算駕駛桿到電動(dòng)缸輸出端的傳動(dòng)比、腳蹬與電動(dòng)缸輸出端的傳動(dòng)比和座椅布局等參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)輔助軟件CATIA設(shè)計(jì)了試驗(yàn)樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原理樣機(jī)的電動(dòng)式力伺服控制系統(tǒng)［5-6］由力矩電機(jī)，增量式光電編碼器（12位分辨率）、電動(dòng)缸、驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集卡、力傳感器、人感仿真計(jì)算機(jī)等組成。具體參數(shù)如下：

1）人感仿真計(jì)算機(jī)：人感仿真計(jì)算機(jī)采用研祥公司生產(chǎn)的雙核處理器，CPU主頻為2.5 GHz的HPC6022工業(yè)級(jí)一體化工作站。

2）D/A轉(zhuǎn)換卡：D/A轉(zhuǎn)換卡采用研華公司生產(chǎn)的6通道16位PCLD-8710卡，輸出范圍±10 V，精度0.05 mV。

3）力矩電機(jī)：力矩電機(jī)采用寧波菲仕公司生產(chǎn)的凸極式表面磁鋼型永磁同步電機(jī)，極對(duì)數(shù)為3，最大堵轉(zhuǎn)力矩4.0×105Nm，額定轉(zhuǎn)速9.0×103N n/min，其角位置反饋為采用增量式光電編碼器，精度0.005°。

4）力傳感器：力傳感器采用美國(guó)Transcell公司生產(chǎn)的S型應(yīng)變片式扭矩傳感器，而額定量程250 kg，分辨力0.05%，精度0.001%。

5）可編程驅(qū)動(dòng)器：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用德國(guó)力士樂(lè)公司生產(chǎn)的電流矢量控制運(yùn)動(dòng)控制器，額定功率4.5千瓦，工業(yè)380 V交流供電。

6）數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用hilscher公司的cifx數(shù)據(jù)采集卡，它通過(guò)計(jì)算機(jī)串口傳輸數(shù)據(jù)，SERCOSⅢ協(xié)議通信模式。

此外，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面還重點(diǎn)考慮了濾波和屏蔽問(wèn)題。因?yàn)橄到y(tǒng)的工作頻率高，力傳感器反饋信號(hào)采用差模放大傳輸模式，信號(hào)傳輸電纜采用優(yōu)質(zhì)屏蔽電纜及三相強(qiáng)電源輸入輸出均采用低頻濾波器，有效地提高系統(tǒng)的抗干擾性。

2 軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)軟件分系統(tǒng)是主要完成四通道模型力解算、控制策略實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)通訊等任務(wù)。為更好地提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和同步性，設(shè)計(jì)了以WindowsXP+RTX為軟件平臺(tái)的人感仿真系統(tǒng)軟件，WindowsXP完成數(shù)據(jù)顯示和可視化工作，RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成控制策略和各種補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)。此軟件設(shè)計(jì)思路，極大地提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靈活性。

2.1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)構(gòu)建

電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)［7-8］計(jì)算機(jī)以先進(jìn)的工業(yè)控制PC機(jī)為軟硬件平臺(tái)，因Windows操作系統(tǒng)的弱實(shí)時(shí)性不滿足本系統(tǒng)強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求，而美國(guó)Ardence公司推出的RTX（real time extention）是基于Windows下的實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)，其修改和擴(kuò)展了系統(tǒng)硬件抽象層，具有128級(jí)優(yōu)先級(jí)，適合用于工業(yè)過(guò)程強(qiáng)實(shí)時(shí)控制。

文中采用RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)，并結(jié)合PC機(jī)總線上連接工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)強(qiáng)實(shí)時(shí)控制任務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有通用的軟件包來(lái)實(shí)現(xiàn)這種工業(yè)控制系統(tǒng)，需要自己開(kāi)發(fā)一套包括驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)的軟件系統(tǒng)。

電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)控制界面如圖1所示，用以實(shí)現(xiàn)WindowsXP實(shí)現(xiàn)控制模式設(shè)置和控制界面數(shù)據(jù)輸出顯示，RTX子系統(tǒng)下的rtss進(jìn)程實(shí)現(xiàn)模型力的解算、控制算法實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)通信等任務(wù)，人感仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)WindowsXP和RTX共享內(nèi)存方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)實(shí)時(shí)多任務(wù)進(jìn)程。

圖1 電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)控制界面Fig.1 Control interface of electro-motive force-feeling simulation system

2.2 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)軟件控制流程

電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)初始處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)接收到初始化命令后，進(jìn)行工作狀態(tài)的切換，如果在初始化進(jìn)行中出現(xiàn)故障即進(jìn)入故障處理，系統(tǒng)復(fù)位結(jié)束，重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，進(jìn)行再次的啟動(dòng)工作，如果系統(tǒng)初始化正常，則進(jìn)入工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)力控系統(tǒng)的力感模擬，系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)束接受關(guān)閉命令，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

2）縱向通道軟件流程

電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)的人感仿真計(jì)算機(jī)工作時(shí)，同時(shí)解算飛機(jī)四個(gè)通道的模型力，文中以某型直升機(jī)模擬器縱向單通道為例，設(shè)計(jì)俯仰通道子程序流程圖。

系統(tǒng)啟動(dòng)并初始化之后，電機(jī)以位置模式驅(qū)動(dòng)駕駛桿勻速回中，確認(rèn)回中之后系統(tǒng)進(jìn)行4種模式辨識(shí)，以縱向通道為例，當(dāng)有外力作用于駕駛桿時(shí)，系統(tǒng)選擇人工操縱模式并進(jìn)入力閉環(huán)模式，否則辨識(shí)是否進(jìn)入其他3種模式。在此，為了人員和系統(tǒng)的安全性考慮，設(shè)置了最大速差、位差及力差模塊，超過(guò)臨界值系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。

3）模型力解算模塊設(shè)計(jì)

模型力的解算過(guò)程在RTX擴(kuò)展子系統(tǒng)的rtss進(jìn)程中進(jìn)行，與實(shí)際輸出量比較后形成控制量輸出到驅(qū)動(dòng)接口。同樣以縱向通道模型力解算為例，本文依據(jù)電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)的縱向操縱桿力模型，以接收的主控計(jì)算機(jī)參數(shù)、駕駛桿相對(duì)位移、編碼器輸出位移和速度指令等參數(shù)，實(shí)時(shí)解算模型力。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證某型電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)原理樣機(jī)的力感跟蹤性能，在研制的原理樣機(jī)上進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)研究，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)并測(cè)試其力感跟蹤性能。研究包括常規(guī)PID控制、前饋補(bǔ)償加PID控制和反饋-前饋迭代學(xué)習(xí)控制下系統(tǒng)實(shí)際輸出研究等。具體驗(yàn)證方法是通過(guò)模型力時(shí)域跟蹤和桿力-位移軌跡跟蹤研究。本文以常規(guī)PID控制實(shí)驗(yàn)研究為例進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證研究。

3.1 驗(yàn)證模型

1）電動(dòng)式力伺服加載系統(tǒng)模型

根據(jù)交流伺服電機(jī)性能指數(shù)選擇匹配的電動(dòng)缸，設(shè)滾珠絲杠導(dǎo)程設(shè)為Kg，單位（m/rad），θf(wàn)為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角。滾珠絲杠的伸長(zhǎng)量為：

2）力傳感器模型

力傳感器是連接電機(jī)與被加載對(duì)象的關(guān)鍵部件，由于其本身的慣量和摩擦較小，可以視為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，力模型簡(jiǎn)化為：

上式中，M為力傳感器系數(shù)，Δθ為傳感器兩端的形變角度差，TL為輸出擾動(dòng)力。

根據(jù)以上兩部分?jǐn)?shù)學(xué)模型，建立電動(dòng)力伺服加載系統(tǒng)模型，電動(dòng)式力伺服加載系統(tǒng)的外環(huán)反饋為力閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)操縱負(fù)荷系統(tǒng)力感閉環(huán)控制，同時(shí)保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤性能，最后得加載系統(tǒng)模型框圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)式力伺服加載系統(tǒng)模型框圖Fig.2 Model diagram of electro-motive force servo loading system

根據(jù)圖2得電動(dòng)式力伺服加載系統(tǒng)前向通道閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

上式中，a=（Rj+KiKiqJ），b=（KtKrKiKiqKsp+KtKe），c=（KtKrKiqKsi+Gf（s）Gpi（s）KiqKtM），Gf（s）為主反饋控制器傳遞函數(shù)，Gpi（s）為速度環(huán)控制器傳遞函數(shù)，Giq（s）為電流環(huán)控制器傳遞函數(shù)。

3.2 仿真驗(yàn)證研究

1）常規(guī)PID控制實(shí)驗(yàn)研究

在構(gòu)建完整的原理樣機(jī)上，根據(jù)電動(dòng)式力伺服加載系統(tǒng)模型進(jìn)行常規(guī)PID控制試驗(yàn)研究，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出，系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)（被動(dòng)）加載過(guò)程中隨駕駛桿的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多余力的干擾，并經(jīng)反復(fù)調(diào)節(jié)各控制參數(shù)，且在不加任何補(bǔ)償措施下，得到最優(yōu)控制效果如圖3所示。其中，在圖3（a）中曲線1為系統(tǒng)駕駛桿速度輸出曲線，曲線2為系統(tǒng)桿力輸出曲線，曲線3為系統(tǒng)模型力曲線，圖3（b）中曲線1和2分別為系統(tǒng)模型力和實(shí)際輸出桿力。

從圖3（a）中可以看出，系統(tǒng)存在較大的多余力干擾，使系統(tǒng)輸出產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象，尤其是在推駕駛桿到極限位置過(guò)程中，震蕩現(xiàn)象更加嚴(yán)重，最大誤差超過(guò)輸出最大值的50%，與此同時(shí)，實(shí)際輸出跟蹤力相位明顯滯后于模型力，電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)的力感跟蹤性能很難保證。從圖3（b）可以看出，縱向通道桿力-位移輸出曲線明顯失真，從中立位置拉桿到最后駕駛桿回到中立位置整個(gè)過(guò)程，除開(kāi)始點(diǎn)和最后結(jié)束時(shí)模型力與實(shí)際輸出力相等，在其他過(guò)程中輸出力嚴(yán)重滯后模型力。另外，從系統(tǒng)桿力輸出曲線可以看出，在駕駛桿移動(dòng)過(guò)程中，桿力過(guò)渡存在波動(dòng)，且桿力平滑度無(wú)法保證。

圖3 PID控制效果Fig.3 PID control result

2）前饋補(bǔ)償+PI控制實(shí)驗(yàn)研究

為提高系統(tǒng)的跟蹤速度，控制器在PI控制下加入前饋補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)研究，PI+前饋補(bǔ)償控制下系統(tǒng)輸出曲線如圖4所示，圖4（a）中，曲線1為輸入速度指令曲線，曲線2為系統(tǒng)輸出力跟蹤曲線，曲線3為系統(tǒng)模型力曲線；圖4（b）中曲線1和曲線2分別表示模型力和實(shí)際輸出桿力。

從圖4（a）中可以看出，系統(tǒng)輸出相位滯后完全消失，快速性明顯提高，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出桿力零滯后跟蹤，并且極限位置震蕩現(xiàn)象明顯減小，只有在操縱駕駛桿達(dá)到兩極限位置換向時(shí)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。不足之處是，在操縱駕駛桿移動(dòng)頻率增大時(shí)，系統(tǒng)輸出跟蹤力幅值有明顯衰減現(xiàn)象。從圖4（b）桿力-位移輸出曲線看，系統(tǒng)實(shí)際輸出桿力接近模型力曲線，桿力平滑度有明顯提高，只在中立點(diǎn)換向時(shí)及兩極位置還存在一定誤差。

圖4 前饋補(bǔ)償+PI控制效果Fig.4 Control result of feed-forward compensation with PI

4 結(jié) 論

仿真結(jié)果及系統(tǒng)仿真驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)過(guò)程表明，原理樣機(jī)設(shè)計(jì)合理，能夠通過(guò)模型力時(shí)域跟蹤和桿力-位移軌跡跟蹤等來(lái)研究電動(dòng)式人感仿真系統(tǒng)的力感跟蹤性能；同時(shí)控制算法仿真研究也表明：常規(guī)PID控制方式難以滿足系統(tǒng)模型力的實(shí)時(shí)精確跟蹤，為提高系統(tǒng)的跟蹤速度和精度，控制器在上述控制下應(yīng)加入前饋補(bǔ)償加PI控制或反饋-前饋迭代學(xué)習(xí)控制等。

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Design and realization of electric force-feeling simulation system principle prototype

WANG Yong-liang，LU Ying，SUN Fang-yi
（Military Simulation Technology Research Institute，The Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China）

In order to improve the control loading fidelity of helicopter flight simulator force-feeling simulation system，this paper develops the principle prototype of force-feeling simulation system，establishes the electro-motive force servo loading system model，applies the model to the force-feeling simulation system principle prototype and conducts the test of sense of force.The results show that the design of force-feeling simulation system is reasonable，using the model of force temporal tracking and force displacement trajectory tracking to study the sense of force tracking performance.The control algorithm also shows that:conventional PID control is hard to satisfy the real-time accurate tracking for model of force.To improve the tracking speed and precision，feed-forward compensation with PI control and feedback-feedforward iterative learning control strategies should be used.

force-feeling simulation system；principle prototype；simulation and verification；PID control

TN99

A

1674－6236（2016）04-0022-04

2015-03-22 稿件編號(hào)：201503298

王勇亮（1961—），男，黑龍江海林人，碩士，副教授。研究方向：飛行模擬器實(shí)時(shí)控制與實(shí)時(shí)仿真技術(shù)。