羅梟

飛機起落架加載控制系統(tǒng)仿真與分析

羅梟

（中國電子科技集團第十研究所，四川 成都 610036）

為了應對國際國內(nèi)形勢的不斷變化，中國加大了對航空航天領域的投入。針對起落架加載控制系統(tǒng)的研究對航空航天領域的發(fā)展至關重要。在總結針對起落架加載控制系統(tǒng)的技術難點和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀之后，利用Simulink分別對無干擾的系統(tǒng)和有位移干擾的系統(tǒng)進行仿真分析，得出靜止特性和加入擾動后的系統(tǒng)特性。在此基礎上，介紹了應用前饋補償來消除多余力的方法，并通過這種方法得到改進后的系統(tǒng)。對改進后的系統(tǒng)進行仿真分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能有效克服多余力的影響，使系統(tǒng)達到良好的加載效果。

加載控制系統(tǒng)；多余力；前饋補償；起落架

1 引言

隨著科技的不斷進步，加載技術在設計方案驗證、產(chǎn)品性能指標測評和設計方案改進等多個科研領域都得到了廣泛應用，并處于逐漸完善階段。一方面，研究加載技術是中國航空航天科研領域不可或缺的重要一環(huán)，起落架加載控制系統(tǒng)作為飛機地面試驗的重要組成部分之一，是眾多新型號和新技術研發(fā)過程中的核心點；另一方面，針對飛機起落架加載控制系統(tǒng)的研究存在難點，比如飛機起落架會受到飛行的動力、氣動力等共同作用，飛行的高度、速度、姿態(tài)和氣流等因素會同時引起氣動力的改變。起落架必須在承受這些變化力的同時保持正常收放。因此，獲得起落架在真實工作狀態(tài)下的無偏載荷參數(shù)，對研制出一套具有高自動化程度、測試精度的起落架加載控制系統(tǒng)具有重要作用，進而能夠提高飛機的飛行質(zhì)量。此外，本文介紹了起落架加載控制系統(tǒng)以及目前面臨的技術難點和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結合文獻中已有模型進行仿真分析，并應用前饋補償消除多余力的方法對系統(tǒng)進行改進。

2 起落架加載控制系統(tǒng)的技術難點及研究現(xiàn)狀

2.1 電液加載系統(tǒng)概述

電液加載系統(tǒng)是以液壓作動器為執(zhí)行機構的電液力伺服加載系統(tǒng)，它具有反應迅速、輸出載荷大、動態(tài)性能好、控制精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應用于地面模擬加載設備中。電液加載系統(tǒng)能夠準確、快速地復現(xiàn)飛機飛行過程中起落架受到的氣動力載荷，保證了起落架真實工作狀態(tài)下性能參數(shù)的測試，為飛機的操作系統(tǒng)、起落架收放的設計和改進提供了重要的參考實驗數(shù)據(jù)，保障了飛機的飛行品質(zhì)。電液加載系統(tǒng)根據(jù)應對加載對象狀態(tài)不同，分為兩種加載系統(tǒng)，主動式加載和被動式加載。主動式加載過程中，被加載對象處于靜止狀態(tài)，則系統(tǒng)稱為主動式/靜止電液力伺服加載系統(tǒng)，系統(tǒng)結構比較簡單，加載控制容易實現(xiàn)；被動式加載過程中，被加載對象按一定規(guī)律自主運動，則系統(tǒng)稱為被動式/運動電液力伺服加載系統(tǒng)，系統(tǒng)存在由被加載對象主要運動引起的干擾，加載系統(tǒng)受到加載指令與運動干擾量的同時作用，系統(tǒng)結構變得復雜，不易實現(xiàn)對加載系統(tǒng)的控制。究其實質(zhì)，兩種系統(tǒng)的主要區(qū)別在于系統(tǒng)是否存在被加載對象主動運動引起的系統(tǒng)干擾。課題中，前起落架按照指令運動，因此，加載系統(tǒng)是一個典型的被動式電液力伺服加載系統(tǒng)。電液加載系統(tǒng)是典型的電液力伺服系統(tǒng)，具有高頻帶、非線性、參數(shù)時變、不確定性等特點，同時受到被加載對象主動運動引起的干擾，其控制器的設計與一般控制系統(tǒng)相比更為困難。近年來，隨著控制理論的發(fā)展，電液力伺服控制理論也相應得到了突破，一些新的智能控制理論逐步應用于電液力伺服系統(tǒng)，并取得了較好的效果。

2.2 技術難點

起落架加載系統(tǒng)由計算機控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)兩部分共同組成。起落架加載系統(tǒng)能否模擬飛機飛行時起落架所受氣動力載荷的真實狀態(tài)，是能否準確測定起落架實際工作時的各項性能參數(shù)的關鍵。起落架主動運動會產(chǎn)生電液加載系統(tǒng)跟蹤誤差，因此，首要問題是在負載模擬器控制中消除起落架運動引起的位移干擾。設計出能夠在較寬頻帶范圍內(nèi)消除系統(tǒng)位移干擾、滿足加載精度的控制器，使負載模擬器能較真實地模擬起落架實際工作狀態(tài)是系統(tǒng)主要的技術難點。

2.3 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外針對影響電液加載系統(tǒng)加載精度位移干擾問題進行研究的文獻，主要通過以下2個方面對位移干擾進行抑制：①從電液加載系統(tǒng)的硬件入手，改變系統(tǒng)本身的硬件結構，修正系統(tǒng)個別環(huán)節(jié)和參數(shù)，減小位移干擾的影響。主要方法為使系統(tǒng)極點重新分布，系統(tǒng)結構、傳遞函數(shù)發(fā)生改變，從而提高系統(tǒng)動態(tài)性能，達到減小位移干擾的目的。措施為在加載缸的兩腔分別安裝蓄壓器，對液壓缸的有效容積、彈性模量進行改變，但受載荷大小、加載梯度的影響較大，此方法的通用性受到了極大限制；使電液加載系統(tǒng)PQ曲線斜率增大，強迫流量引起的壓力變化大幅度減小，能夠在很大程度上抑制位移干擾，主要措施為安裝帶連通孔流量閥——在液壓缸兩腔之間安裝帶連通孔零開口流量閥，但由于此方法自身特性和線性度較差，實際工程中很少運用；降低系統(tǒng)的連接剛度，使位移干擾的影響較弱，具體為將彈簧安裝在被加載對象（起落架）與液壓缸之間的機械連接處，但此方法會使系統(tǒng)頻帶降低，滿足不了系統(tǒng)需求。綜上所述，改變電液加載系統(tǒng)的硬件結構的方法在減小位移干擾的影響方面作用有限，且具有很大的局限性，同時由于投資成本大、工藝精度要求高、維護不易、效果不理想等因素，此類方法通常不會用于工程中。②從計算機控制系統(tǒng)的軟件入手，在系統(tǒng)中加入補償網(wǎng)絡來抑制位移干擾，主要方法為裝設前饋補償器，對加載對象（起落架）自主運動產(chǎn)生的干擾信號進行前饋補償，從而達到提前抵消干擾信號所產(chǎn)生的力/力矩的作用。此方法簡單、易行、補償效果較好，具有較強的可行性。本文采用此方法來抑制位移干擾。

3 仿真分析與加載系統(tǒng)改進

3.1 系統(tǒng)仿真

本文參考俞帥和周竹（2011）建立的模型，進行Simulink仿真分析。

參考的數(shù)學模型系統(tǒng)負載力L與輸入指令in的關系式如下：

無位移干擾信號時的輸入信號如圖1所示，輸出的信號如圖2所示。通過仿真結果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在無干擾時存在誤差，但輸出結果顯示這個系統(tǒng)的設計思路是正確的，系統(tǒng)主體部分的設計是正確的，只需將這個系統(tǒng)的誤差做一個補償控制來抵消產(chǎn)生的誤差即可得到正確的系統(tǒng)。

圖2 輸出信號圖與其局部放大圖

有位移干擾信號時，仿真模型如下，輸入信號如圖3所示，干擾信號如圖4所示，輸出信號如圖5所示。從圖3與圖5可以看出，有了位移干擾后，系統(tǒng)的輸出與給定的指令有較大差異。誤差原因分析：從數(shù)學模型式式（1）的結構上可以看出，電液伺服加載系統(tǒng)的輸出力是由2個部分組成的，經(jīng)過加載控制指令的輸入加載力和由位移干擾引起的多余力，式（1）中的分母攜帶上分子中的第一項表示的是經(jīng)過加載控制指令的輸入加載力。式（1）中分母攜帶上分子中第二項與第三項表示的是起落架位置系統(tǒng)對電液伺服加載系統(tǒng)輸出的擾動作用所引起的輸出力。在低頻段工作時，起落架位置系統(tǒng)主動運動引起的強干擾主要是由位置系統(tǒng)對加載系統(tǒng)輸出的速度擾動所引起的。承載對象的運動速度、承載對象的加速度和加速度的變化率都會對多余力的輸出值產(chǎn)生影響。

3.2 前饋補償和改進的加載系統(tǒng)

起落架的主動運動是引起系統(tǒng)位移干擾的關鍵，解決位移干擾需從起落架的主動運動入手。如果起落架和負載模擬器可以同步運動，即負載模擬器能夠準確地跟隨起落架的主動運動，則就能消除由起落架主動運動而引起的擾動，保證系統(tǒng)負載模擬器的輸出精度。基于以上分析可知，負載模擬器提前對起落架的主動運動進行補償，則可以實現(xiàn)負載模擬器與起落架的同步運動。實際工程當中通常采用前饋補償、速度同步等方法來消除系統(tǒng)的位移干擾。

設計前饋補償?shù)幕舅悸窞椋菏紫确治鱿到y(tǒng)可能受到哪些外部干擾，系統(tǒng)是如何引入這些干擾量的，在控制器輸出控制量時，針對這些外部干擾設置前饋通道，預先加以補償。前饋補償?shù)年P鍵是尋找一個可觀測變量，并根據(jù)其設計前饋補償器。利用前饋補償?shù)脑硐到y(tǒng)位移干擾具有結構簡單、易實現(xiàn)、信號傳遞迅速、調(diào)節(jié)方便、成本低等優(yōu)點，具有較好的效果等特點，在實際工程中經(jīng)常采用此方法來抑制位移干擾。前饋補償利用PID控制器來滿足，參考王紀森、周宇和王俊（2009）設計的PID控制器，取合適的參數(shù)值后，補償后的系統(tǒng)仿真結果如下，輸入信號如圖6所示，干擾信號如圖7所示，前饋補償后輸出的信號如圖8所示。利用前饋補償矯正控制信號之后，將圖5與圖8相比，加載特性曲線獲得了明顯的改善。

圖3 輸入信號圖

圖4 干擾信號圖

圖5 有位移干擾的系統(tǒng)仿真結果圖

圖6 輸入信號圖

圖7 干擾信號圖

圖8 補償后系統(tǒng)輸出信號圖

4 小結

起落架加載試驗是飛機地面試驗的一項重要內(nèi)容，目前國內(nèi)的發(fā)展已趨于成熟。當飛機的起落架在空中進行收放動作時，會受到動力、氣動力等共同作用，從而使地面靜止收放的參量不能作為控制起落架收放系統(tǒng)的指令。因此，在做地面試驗時，應當對起落架在空中作動時所受的各項力進行模擬，從而使正確的工作指令能夠傳達到起落架收放系統(tǒng)。本文完成了對某型飛機起落架加載控制系統(tǒng)仿真的探討。為了驗證系統(tǒng)的可行性，分別從系統(tǒng)有位移干擾時的仿真以及系統(tǒng)的補償矯正2個方面進行了論證。對整個系統(tǒng)在無干擾、有干擾以及加入補償后的3種情況進行了Simulink仿 真，并分析了結果，驗證了補償方法的可行性，期使系統(tǒng)更加完善。

本文為深刻理解起落架在空中收放的動作過程及每個時刻的受力情況提供了數(shù)據(jù)支撐，為改進飛機起落架加載系統(tǒng)提供了改進方向。

［1］俞帥，周竹.起落架電液伺服加載控制系統(tǒng)設計與研究［J］.液壓氣動與密封，2011（2）：62-65.

［2］王紀森，周宇，王俊.應用前饋控制提高起落架加載系統(tǒng)性能的方法研究［J］.機床與液壓，2009（4）：92-93，99.

V245.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.008

2095－6835（2020）12－0021－03

〔編輯：張思楠〕