許志林，葉 蕾

（中國(guó)航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

某駕駛員操縱裝置非線性問(wèn)題解決方案

許志林，葉 蕾

（中國(guó)航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

0 引言

某型飛行模擬器（下文簡(jiǎn)稱飛行模擬器）的駕駛員操縱系統(tǒng)由于在設(shè)計(jì)階段未對(duì)系統(tǒng)的傳動(dòng)關(guān)系進(jìn)行深入分析，導(dǎo)致系統(tǒng)在安裝調(diào)試階段出現(xiàn)了縱、橫向操縱的非線性問(wèn)題。為此，需要找到非線性問(wèn)題出現(xiàn)的原因，并提出相關(guān)的解決方案?？紤]到所有產(chǎn)品已經(jīng)安裝到位，故應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提出一種最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)潔的可行性改進(jìn)方案。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

飛行模擬器駕駛員操縱裝置的操縱負(fù)荷（靜態(tài)桿力、阻尼力）由操縱負(fù)荷裝置提供，操縱負(fù)荷裝置的驅(qū)動(dòng)部件為伺服電機(jī)，伺服電機(jī)為系統(tǒng)提供靜態(tài)力和阻尼力，其動(dòng)、靜態(tài)特性可根據(jù)所需要的目標(biāo)值進(jìn)行參數(shù)化修正。

目標(biāo)機(jī)型的駕駛員操縱裝置的縱、橫向桿力——桿位移為線性關(guān)系，可通過(guò)設(shè)置操縱負(fù)荷系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，為駕駛桿提供所需要的線性桿力——桿位移特性。

飛行模擬器的縱、橫向操縱系統(tǒng)主要由駕駛桿、縱向桿系、橫向桿系、縱向操縱負(fù)荷系統(tǒng)、橫向操縱負(fù)荷系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

縱向操縱時(shí)，駕駛桿的前后運(yùn)動(dòng)通過(guò)拉桿、搖臂組件將其操縱力和位移傳遞至縱向伺服電機(jī)，電機(jī)按照設(shè)定的系數(shù)為駕駛桿提供操縱力和阻尼力，伺服電機(jī)的輸出力矩與其偏轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系，同時(shí)可設(shè)置初始啟動(dòng)力，伺服電機(jī)控制系統(tǒng)邏輯圖見(jiàn)圖2。縱向操縱系統(tǒng)理論圖見(jiàn)圖3。橫向操縱系統(tǒng)原理與縱向操縱系統(tǒng)基本相同，僅比縱向操縱系統(tǒng)中間多若干傳遞環(huán)節(jié)（扭力管、搖臂等），橫向操縱系統(tǒng)理論圖見(jiàn)圖4。

2 問(wèn)題描述

飛行模擬器所針對(duì)的目標(biāo)機(jī)型的駕駛員操縱裝置縱、橫向桿力——桿位移特性曲線分別如圖5、圖6所示。

根據(jù)縱向操縱系統(tǒng)理論圖及縱向桿力——桿位移特性曲線，設(shè)力矩電機(jī)產(chǎn)生偏角dθ時(shí)，產(chǎn)生的增量力矩為dM，則有：

縱向伺服電機(jī)需要提供的預(yù)載力矩為：

因此，可設(shè)置縱向操縱負(fù)荷系統(tǒng)的啟動(dòng)力矩為1.133N·m，比例系數(shù)為0.342N·m/deg。

同理，可計(jì)算橫向操縱負(fù)荷系統(tǒng)的啟動(dòng)力矩為0.48N·m，比例系數(shù)為0.0447N·m/deg。

通過(guò)某型專用的駕駛員操縱裝置檢測(cè)設(shè)備，測(cè)量駕駛員操縱點(diǎn)處的桿力——桿位移特性，實(shí)際得出的縱、橫向操縱特性曲線如圖7、圖8所示。

3 原因分析及可行性解決方案

為了對(duì)實(shí)測(cè)的縱、橫向操縱特性進(jìn)行詳細(xì)的理論分析，利用西門(mén)子公司的LMS Virtual.Lab Motion軟件建立飛行模擬器縱、橫向操縱系統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)仿真駕駛桿運(yùn)動(dòng)工況，進(jìn)行深入分析。

3.1 縱向操縱系統(tǒng)

3.1.1 原因分析

建立縱向操縱系統(tǒng)多剛體動(dòng)力學(xué)模型如圖9所示。通過(guò)對(duì)縱向操縱時(shí)的實(shí)際工況進(jìn)行仿真分析，繪制駕駛桿轉(zhuǎn)角——電機(jī)搖臂轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系傳動(dòng)比曲線，如圖10所示，通過(guò)傳動(dòng)比曲線與標(biāo)準(zhǔn)直線對(duì)比可以看出，該系統(tǒng)的縱向操縱確實(shí)存在明顯的非線性（為使觀察更直觀，圖中增加了一條標(biāo)準(zhǔn)直線作為參考，該直線并非線性擬合的直線，下同）。對(duì)該數(shù)據(jù)利用OriginPro軟件進(jìn)行線性擬合，得出擬合的標(biāo)準(zhǔn)差SD值為0.20428°，換算至縱向操縱點(diǎn)的線性位移約為1.7mm。

分別對(duì)其中的兩根拉桿的兩端鉸點(diǎn)進(jìn)行傳動(dòng)比分析，定義靠近駕駛桿的拉桿為拉桿1，靠近電機(jī)的拉桿為拉桿2，經(jīng)過(guò)分析，兩根拉桿的兩端鉸點(diǎn)在全運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)傳動(dòng)比曲線如圖11所示。非線性嚴(yán)重的為拉桿2兩端鉸點(diǎn)之間的傳動(dòng)比，而拉桿1兩端鉸點(diǎn)的線性度較好。

通過(guò)對(duì)縱向操縱系統(tǒng)進(jìn)行分析可知，系統(tǒng)在兩根拉桿的兩端都采用了不等長(zhǎng)搖臂對(duì)系統(tǒng)的傳動(dòng)比進(jìn)行放大，使駕駛桿端鉸點(diǎn)的偏角-10.853°傳遞至電機(jī)后，放大至-40.603°，傳動(dòng)比系數(shù)過(guò)大，導(dǎo)致在后端開(kāi)始出現(xiàn)了明顯的非線性。圖11中拉桿1在開(kāi)始階段傳動(dòng)比放大較小，所以線性度較好，到拉桿2后傳動(dòng)比增大較多，就開(kāi)始出現(xiàn)明顯的非線性。

3.1.2 可行性解決方案

為解決縱向操縱系統(tǒng)的非線性問(wèn)題，必須減小其傳動(dòng)比。由于目前的產(chǎn)品已經(jīng)完成生產(chǎn)和安裝，因此，需要在原方案上進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，而改裝方案必須綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和改動(dòng)量最小化的原則。

由于結(jié)構(gòu)形式的限制，各鉸點(diǎn)的固定位置難以變動(dòng)，因此，主要可改動(dòng)部件為中間搖臂，改動(dòng)后的縱向操縱系統(tǒng)理論圖見(jiàn)圖12，為減小傳動(dòng)比將中間搖臂的R40mm臂長(zhǎng)更改為R75mm，同時(shí)為使拉桿與搖臂夾角盡量接近90°，適應(yīng)性更改了拉桿1的長(zhǎng)度（由原398.4mm更改為393.3mm）。

對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)重新進(jìn)行多剛體動(dòng)力學(xué)仿真，仿真后的二維曲線如圖13所示，由圖可知，改進(jìn)后系統(tǒng)的線性度已明顯改善，利用Origin軟件對(duì)改進(jìn)后的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合的標(biāo)準(zhǔn)差SD值為0.054 56°，換算至縱向操縱點(diǎn)的線性位移約為0.45mm。

3.2 橫向操縱系統(tǒng)

3.2.1 原因分析

建立橫向操縱系統(tǒng)多剛體動(dòng)力學(xué)模型如圖14所示。在按照設(shè)計(jì)要求的橫向操縱位移±50mm對(duì)模型提交求解時(shí)，提示錯(cuò)誤中止，檢查模型的裝配、約束信息均無(wú)誤，初步估計(jì)可能與驅(qū)動(dòng)的參數(shù)設(shè)置有關(guān)，減小極限操縱位移后，模型得以正常運(yùn)行，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，驅(qū)動(dòng)偏角設(shè)置為±49.3°為最大可接受值。觀察模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在駕駛桿左壓至極限位置時(shí)，電機(jī)的搖臂與其連接的拉桿已成接近直線狀態(tài)（圖15），導(dǎo)致之前的求解提示錯(cuò)誤。由此可知，橫向系統(tǒng)在設(shè)計(jì)原理上即存在不合理，搖臂與拉桿成直線后，傳動(dòng)比趨于無(wú)窮大，機(jī)構(gòu)已無(wú)法繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

對(duì)減小極限行程后的橫向操縱系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，繪制橫向駕駛桿轉(zhuǎn)角——電機(jī)搖臂轉(zhuǎn)角傳動(dòng)比曲線，如圖16所示，從該圖可以看出，在右壓桿過(guò)程中，存在非常明顯的非線性，到極限位置時(shí)，曲線已接近水平（傳動(dòng)比趨于無(wú)窮大）。利用OriginPro軟件進(jìn)行線性擬合，擬合的標(biāo)準(zhǔn)差SD值為1.01573°，換算至橫向操縱點(diǎn)的線性位移約為4.04mm。

3.2.2 可行性解決方案

根據(jù)上節(jié)中對(duì)橫向操縱系統(tǒng)的非線性原因分析可知，橫向操縱系統(tǒng)與縱向操縱系統(tǒng)同樣存在傳動(dòng)比系數(shù)過(guò)大的問(wèn)題的，在左壓桿時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)電機(jī)搖臂與拉桿成直線的嚴(yán)重情況。

對(duì)橫向操縱系統(tǒng)的各組成部件進(jìn)行分析，駕駛桿組件為一體化的成品件，無(wú)法更改其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如需解決目前存在的問(wèn)題，需要在扭力管搖臂或吊掛搖臂上進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的解決方案為取消中間吊掛搖臂，將電機(jī)整體抬高75mm，用一根長(zhǎng)拉桿（L770mm） 代替兩根沿航向布置的拉桿（L410mm和L360mm），更改后的橫向操縱系統(tǒng)理論圖見(jiàn)圖17。

對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)重新進(jìn)行多剛體動(dòng)力學(xué)仿真，改進(jìn)后的橫向操縱系統(tǒng)多剛體動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖18，改進(jìn)后的橫向操縱系統(tǒng)駕駛桿至電機(jī)搖臂的傳動(dòng)比仿真曲線如圖19所示。由圖可知，改進(jìn)后系統(tǒng)的線性度已明顯改善，利用OriginPro軟件對(duì)改進(jìn)后的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合的標(biāo)準(zhǔn)差SD值為0.05301°，換算至縱向操縱點(diǎn)的線性位移約為0.21mm。

4 改裝方案仿真驗(yàn)證

針對(duì)改進(jìn)后的方案，建立新的多體動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)理論計(jì)算的線性傳動(dòng)比在力矩電機(jī)處設(shè)定一帶有啟動(dòng)力的線性彈簧力，并在操縱點(diǎn)處施加規(guī)定的位移驅(qū)動(dòng)，仿真得出改進(jìn)后的縱、橫向操縱桿力——桿位移特性曲線如圖20、圖21所示（縱向操縱時(shí)前推桿為負(fù)、后拉桿為正，橫向操縱時(shí)左壓桿為負(fù)、右壓桿為正）。

由圖20可知，縱向操縱時(shí)，前推桿的線性度較好，后拉桿在60mm以后開(kāi)始出現(xiàn)較小的非線性，但整個(gè)過(guò)程中變化較小，至后拉極限時(shí)，變化值仍在可接受的公差范圍內(nèi)。

同樣，在圖21中，橫向操縱時(shí)，在左、右壓桿至30mm以后，也出現(xiàn)了較小的非線性，但變化很平緩，至極限位置時(shí)，操縱力均在可接受的公差范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

由于該飛行模擬器在早期設(shè)計(jì)階段未進(jìn)行深入的傳動(dòng)比分析，導(dǎo)致問(wèn)題在安裝調(diào)試過(guò)程中才被發(fā)現(xiàn)。本文針對(duì)某型飛行模擬器在安裝調(diào)試過(guò)程中，操縱系統(tǒng)出現(xiàn)的非線性問(wèn)題，利用西門(mén)子公司的LMS Virtual.Lab Motion軟件對(duì)問(wèn)題原因進(jìn)行仿真分析，并利用Origin軟件對(duì)傳動(dòng)比曲線的非線性情況進(jìn)行定量分析，基于改動(dòng)最小化及最經(jīng)濟(jì)的原則，提出了可行性的解決方案。

[1]王永熙.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)·第12冊(cè).飛行控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：航空工業(yè)出版社，2003.

[2]萬(wàn)曉峰,劉嵐.LMS Imagine.Lab Motion入門(mén)與提高.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

>>>作者簡(jiǎn)介

許志林，男，1982年出生，2006年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)椴倏v系統(tǒng)設(shè)計(jì)與液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

Solution to Nonlinear Problem on Pilot’s Control Device

Xu Zhilin，Ye Lei
（AVIC-HONGDU，Nanchang,Jiangxi，330024）

During the static test of the pilot’s control device of a flight simulator for one type of aircraft,it is found that the longitudinal and lateral stick force,i.e.the stick displacement curve is nonlinear,which is not in conformity with the theoretical linear gradient curve.This paper carries out simulation analyses for relevant objects through software LMS Virtual.Lab,thus finding out the cause of the nonlinear problem and providing feasible solution, meanwhile,the new solution is verified by simulation.

Flight simulator;Simulation;Nonlinear

2017-01-15）