直升机电动负荷操纵系统控制方法仿真研究

张喆　韩意新

摘 要：文章对直升机电动负荷操纵系统的控制方法进行了阐述，首先推导了电动负荷系统的人感模型运动方程，包括杆力数学模型、库仑力数学模型。其次，建立了电动负荷系统的控制策略，搭建了控制律框图，该框图清楚描述了软硬件的控制过程。

关键词：直升机；电动负荷操纵系统；控制策略

引言

直升機电动负荷操纵系统的基本原理是通过安装于电动加载单元杆力传感器感受驾驶员的操纵力，杆位移传感器检测杆的当前位置，送到主动杆控制器的DSP芯片，运行于DSP芯片的软件解算人感数学模型，最终输出到电动加载单元伺服电机的电压空间矢量，使人感加载机构单元跟踪杆位移指令，驱动操纵杆，实现预期的人感效果。

本文设计了一套电动负荷操纵系统的控制方法，该方法实现了对多种人感特性的模拟。

1 人感系统建模

1.2 杆力数学模型

杆力-杆位移特性曲线描述了驾驶杆力和杆位移之间的关系。不同型号飞机的杆力-杆位移特性曲线是不同的。杆力-杆位移特性曲线具有预载的三梯度特性，预载是为了增强驾驶杆回中特性及增强中立位置的定中性。为了使飞行员在小杆量操纵下杆力不要过轻，所以第一段梯度较大。同理，为了使飞行员在大杆量操纵下杆力不要太大，第二段梯度较小，第三段梯度最小。

以飞机纵向通道为例，杆力-杆位移特性曲线如图1所示。按照需求，这里纵向通道的F0为30N，横向通道的F0为30N，航向通道的F0为70N。

飞行员前后推拉操纵驾驶盘，通过机械杆系带动载荷机构，使飞行员感受到杆力的存在，同时还能感受到与操作速度成正比的阻尼力。因此，由杆力-杆位移特性曲线计算出操纵杆力F后，还应考虑阻尼力、惯性力的影响，从而得到模型杆力。

即：模型杆力=操纵杆力+阻尼力+惯性力。

偏差力=操纵杆力-实测力。

其中，阻尼力系数和惯性力系数是根据机械系统的实际情况确定的。

1.3 库伦摩擦力

库伦摩擦力f0的非线性特性见图2，为了简单起见，将这个特性简化成图3的形式。

2 控制策略

控制策略如图4所示，可以看出人感模型包括非线性特性和动态特性，可变人感特性通过设置操纵系统的模型参数实现。通过调节启动力、摩擦力、杆力梯度等参数可以调节人感系统的非线性特性；通过调节频率、阻尼、摩擦力、惯量等参数可以调节人感系统的动态特性。操纵人员的操纵信号经过非线性和动态特性处理，输出加载指令。

根据以上研究成果，形成电动负荷系统控制过程的简图，如图5所示。控制过程为：当飞行员操纵驾驶杆时，位移传感器采集位移行程输送至人感计算机，根据人感数学模型行程力指令，力指令驱动伺服机构，输出期望的力，同时力传感器采集伺服机构输出力的大小，行程闭环控制系统，对输出力的大小进行校正，提高力控精度。

3 结束语

直升机的电动负荷操纵系统需要对多种人感特性进行模拟，在控制系统设计中，需要完善的人感系统模型，本文对这种人感系统模型进行了细致的推导，可应用于后期的工程实践当中。同时，本文提出了一种完整的控制律结构，包含人感系统非线性模型和动态特性模型，软硬件回路，对后期的工程化极具参考价值。

参考文献

[1]党维.电动式操纵负荷系统控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[2]王辉，许守林，冯英进等.飞行模拟器操纵负荷力加载控制系统的试验研究[J].中国机械工程，2008，19（14）：1720-1723.