全动飞行模拟器操纵负荷系统原理及仿真设计浅述

邓昌盛

（四川航空集团有限公司培训中心,成都 611731）

全动飞行模拟器操纵负荷系统原理及仿真设计浅述

邓昌盛

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全动飞行模拟器的操纵负荷系统，它给提供飞行员操纵力感逼真度，已经广泛应用到飞行模拟器中。论文讨论了目前操纵负荷系统的基本工作原理、结构、工作流程、建模以及仿真软件的设计。操纵负荷系统主要由主计算机，光纤式接口通道，操纵负荷控制组件，电源分配组件，数字式伺服驱动系统，传感器组件，力伺服执行系统等部分组成；仿真设计主要对驾驶杆杆力进行了建模，并对仿真软件设计进行了浅要的分析。

飞行模拟器；操纵负荷系统；仿真软件

1 概述

操纵负荷系统是全动飞行模拟器（FFS, Full Flight Simulator）的基本和重要的组成部分之一，应用实时仿真技术，提供飞行员的操纵力感和过载感，逼真的对操纵负荷系统进行模拟将极大的提高飞行员的训练效果，其性能好坏将直接影响飞行模拟机等级评定。操纵负荷系统的原理和仿真是全动飞行模拟器操纵负荷系统研究的重要内容。本文将重点研究操纵负荷系统的原理及仿真设计。

2 操纵负荷系统的原理

操纵控制系统包括主操纵系统和辅助操纵系统。其中，主操纵系统由副翼、水平尾翼和垂直尾翼组成，分别用于控制飞机的横滚、俯仰和偏航运动。辅助操作系统由前轮转弯操作装置、刹车系统操作装置、襟翼操作装置和减速板操作装置等组成。本文将主要介绍主操纵控制系统。

主操纵负荷系统由主计算机，HSSL光纤式接口通道，操纵负荷控制组件，电源分配组件，数字式伺服驱动系统，传感器组件，力伺服执行系统等组成。整个系统采用闭环控制，增强系统的可靠性和真实性。原理图2-1所示。

图2-1

2.1 组成部件介绍

①主计算机：主要用于运行飞机控制系统的数学模型，根据飞机的飞行状态及操纵模式的不同，计算偏差力。②光纤式接口通道：用于主计算机，操纵负荷控制组件及数字式伺服驱动器的高速通信。③操纵负荷控制组件：监控操纵负荷系统的安全性、电压正常、伺服阀正常等必需的接通逻辑，控制电源分配组件向伺服驱动系统和力伺服机构的供电。④电源分配组件：向数字式伺服驱动系统和力伺服执行机构提供电源。⑤数字式伺服驱动系统：用于驱动力伺服执行机构的工作。⑥传感器组件：位移传感器采用高精度的增量式旋转编码器，检测驾驶杆等操作组件的位移和速度；压力传感器用于检测驾驶杆等操纵组件末端输出的力。⑦力伺服执行机构：电动式操纵负荷系统采用的是伺服电机作为其执行机构，主要是应用伺服电机的力矩模式进行扭矩输出控制。

2.2 工作流程原理

系统的闭环工作流程原理图2-2所示。

图2-2

①主计算机内运行飞机控制系统的数学模型，该模型根据给定的飞机机型、飞行姿态、飞行模式等实际数据建立，并用高级语言编程实现。②当飞行员操纵驾驶杆时，压力传感器和位移传感器实时采集到来自驾驶杆的操作力和操作位移，速度等模拟信号。③通过操纵负荷控制组件将模拟信号转换为数字信号，通过光纤式通信接口将力、位移等信号传递回主计算机，在主计算机代入飞机控制系统的数学模型进行计算，得到理论的输出值。④该理论值通过光纤式接口通道输出到操纵负荷控制组件，控制力伺服机构执行到指定的位移。⑤在整个过程中，操纵负荷控制组件控制电压分配组件向数字式伺服驱动系统和力伺服执行机构的供电。

3 操纵负荷系统的仿真设计

全动飞行模拟器操纵负荷系统需要逼真地模拟飞行员在飞行中操纵驾驶飞机所感受到的力，为完成飞机操纵系统仿真，首先要建立数学模型。数学模型的建立是操纵负荷系统实时仿真的基础，其模型的好坏直接影响到飞行模拟器的逼真程度。飞机的横滚、俯仰和偏航运动的模型建立的基本原理相同，本文将以使用驾驶杆操纵升降舵的过程建立数学模型为例介绍。

3.1 升降舵操作系统的数学模型

当飞行员通过驾驶杆操纵升降舵时，负载力主要由气动力、惯性力、粘性摩擦力、库仑摩擦力、弹簧力、止动力六个部分组成，即：,其中气动力是飞行员所能感受到的主要载荷力。

②惯性力Fn：由于驾驶杆质量不平衡，在飞机角加速度或过载情况下产生的惯性力。

N—纵向过载；

Kn1、K n2—等效比例系数；

③库仑摩擦力Fn：它是取决于驾驶杆位移时速度的极性和摩擦力系数的常值摩擦力。当驾驶杆位移速度为正值，库仑摩擦力为正值，驾驶杆位移速度为负值，库仑摩擦力为负值。

④粘性摩擦力Fv：它是取决于粘性阻尼系数和驾驶杆移动速度大小的摩擦力。

⑤弹簧力Fx：它是使驾驶杆回到中立位置或限制驾驶杆推力过大的弹簧力。

Kx—回中弹簧高度；

X—驾驶杆位移；

⑥止动力Fl：当驾驶杆到限定位置时给定一个止动的感觉力。

由以上公式可见，这些数学模型描述了人感系统中飞行员的操作力与操作位移之间的动态关系。对于采用助力器间接操作舵面的操作系统，作用在舵面上的力由助力器进行平衡，而飞行员的杆力采用液压载荷机构或弹簧机构实现，因此对于弹簧力和止动力等在飞行模拟器上通过建立相应的数学模型采用软件模拟实现。

3.2 仿真软件设计浅述

操纵负荷系统的仿真是在飞行模拟机上的操纵负荷仿真平台中进行的，该系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计，主要用于俯仰、滚转和偏航三个通道的计算。在高速微机系统内，通过自身的实时管理软件，管理来自各个接口通道的信息，实现实时系统的建模与仿真程序。

全动飞行模拟器是一个复杂的分布式实时仿真系统，对实时性要求高，结构复杂，而且数据处理量大。为此，仿真软件的设计必须满足以下条件：

①要求操纵负荷系统能够准确仿真真实系统中的高频特性，高速专用微机系统必须实现1000Hz～3000Hz的迭代频率。

②具有实现各种复杂模型的解算功能，完成升降舵、方向舵和副翼三个通道仿真数据处理，计算舵偏角和模型杆力，相应来自控制台的命令，对操纵故障进行仿真。

③能够在线监测操纵负荷系统三个通道是否工作正常，进行故障诊断、故障预报并进行技术处理。

④系统必须具有高的可靠性，性能受到外界影响必须小。

4 结论

操纵负荷系统的可靠性和可操纵性是全动飞行模拟器的重要指标之一。根据对飞机操纵系统的分析，阐明了全动飞行模拟器的操纵负荷系统原理及工作流程，建立了操作负荷系统的数学模型，浅述了操纵负荷系统的仿真软件设计。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.038