操纵负荷系统电液伺服加载控制方式的比较研究

　　0　引言

　　在飞行模拟器操纵负荷控制系统中,为了实现驾驶员在操纵时的力感觉,需要对操纵盘或操纵脚蹬施加随飞行速度、飞行高度等参数变化的力。实现力加载有三种方式,即弹簧加载、电动加载、电液伺服加载[1]。实现弹簧加载,要求的结构简单,但实现的力感逼真度低。电动加载可实现很高的力感逼真度,但它不能长时间大载荷工作,否则会造成硬件的损坏。电液伺服加载可实现高的力感逼真度,这是目前全任务模拟机普遍采用的方式。为了实现力的精确加载,本文采用电液伺服加载方式。在电液伺服加载系统中,根据被加载对象的位移大小给驾驶盘(或脚蹬)施加相应的力,并且保证力的点点跟踪,通常有三种控制方式,即位置闭环控制方式、速度闭环控制方式和力闭环控制方式。在国内,卢颖等[2]主要通过构建电动式力伺服系统来实现人感系统仿真;阎杰等[3]对电液伺服加载系统进行了有效性分析;蔡永强[4]在对数字式操纵负荷系统的研究中主要通过仿真的方法,利用自适应模糊控制和鲁棒预测控制来消除多余力。在国外,Gerretsen等[5]对三种控制方式进行了研究,但其侧重点放置在人的因素对三种控制方式的影响上,所采用的数学模型及实验结果等与本文均有差异。本文通过对电液伺服三种控制方式的工作原理进行分析,对以往研究的数学模型进行了补充,通过模型变换,构建了三种控制方式的仿真方块图,并进行了仿真和实验。

　　1　操纵负荷控制系统的工作原理

　　图1所示的飞行模拟器操纵负荷系统,由于受力对象是驾驶员的手或脚,因而它是一个位置系统,其运动与否主要应由给定信号所决定。施力系统仅仅起着加载的作用,这种施力系统称之为位置扰动型施力系统。图中的驾驶盘即为被加载对象,右侧为一伺服液压缸,用于给驾驶盘加载。该系统可根据飞行状态给驾驶盘施加载荷,另外,驾驶盘可根据飞行高度、飞行姿态等进行位置运动。

　　位置闭环式伺服加载控制系统的工作原理如下:首先检测驾驶盘(或脚蹬)对液压缸活塞杆施加的拉压力,并根据飞机的飞行状态及操纵模式,实时计算应施加到驾驶盘(或脚蹬)上的位置,即模型位移,此位置对应于驾驶员操纵驾驶盘(或脚蹬)时所要感受到的力,将其转换为电压信号,经过调理校正之后,输入给伺服阀,然后控制施力机构使驾驶盘(或脚蹬)偏转,同时检测模型位移与实测位移的差值,继续校正位置,使所驱动的位移量要精确跟踪模型位移。操纵系统应能根据驾驶盘的位置,按照不同机型实时解算舵面偏角的数值,通过计算机系统传递给飞行动力学系统。

　　对比位置闭环式伺服加载控制系统,速度闭环式伺服加载控制系统具有如下特点:实时计算的是应施加到驾驶盘(或脚蹬)上的速度,即模型速度,此速度对应于驾驶员操纵驾驶盘(或脚蹬)时所要感受到的力;检测模型速度与实测速度的差值,继续校正速度的大小,使所驱动的速度能精确跟踪模型速度。