SimulationX在教练机伺服作动子系统设计和研究中的应用

邓 欢，韩占朋，黄勇强，杨振声，相 梅

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

目前电传飞行控制系统已广泛应用于各型号的飞机上，伺服作动子系统的动态性能和阻抗特性是整个电传飞行控制系统的重要指标，它关系到飞机的飞行品质和系统的稳定性[1]。

在电传飞行控制系统的设计、研制工作中，必须合理设计和计算伺服作动系统各个部件的参数，从而使系统在满足总体设计的要求下性能最优化。本文通过对某型飞机电传飞控系统组成原理和工作状态进行分析，对其中的伺服作动子系统进行研究和细化，使用SimulationX软件对伺服作动子系统进行了仿真，重点对系统中的伺服阀进行元件级的建模，分析了系统中各个部件对系统性能的影响，通过三维建模仿真了其中一个舵面的运动，阐述了SimulationX在伺服作动子系统半物理仿真中的应用。

1 伺服作动子系统的工作原理

伺服作动子系统的原理图如图1所示，飞行员通过前推、后拉驾驶杆或左、右压驾驶杆和左、右蹬脚蹬，产生操纵飞机纵向、横向和航向运动的机械指令，然后通过纵向位移传感器、横向位移传感器和脚蹬位移传感器将机械位移信号转换成电信号输入至飞行控制计算机，同时，飞机的运动信息（加速度、动静压、速度等）也会传输至飞行控制计算机，飞行控制计算机将输入的电信号进行计算处理，产生表决值来控制伺服作动子系统的作动器作出相应的运动，从而驱动相应的舵面偏转。飞控系统组成原理如图1所示。

2 基于SimulationX的伺服作动子系统的建模

伺服作动系统包含控制输入，传感器、伺服阀、作动器、舵面等部分，它是一个涉及机械、电气、液压等专业结合的综合性学科。伺服作动系统的仿真需要一款能在一个平台上建模的软件，SimulationX即是一款多学科建模软件，同时还可以与市面上主流软件进行联合仿真。根据图1的飞控系统原理图，完成了飞控伺服作动子系统的建模，如图2所示。

图1 飞行控制系统原理图

图2 飞行系统伺服作动子系统建模

2.1 FMU模块

图2中①是基于Matlab Simulink与Rhapsody联合模拟飞行控制计算机中控制伺服作动子系统的控制规律，它能根据输入的马赫数、攻角、起落架信号、BIT信号等参数解算出控制指令，输出到液压伺服阀来控制阀口的开闭，从而控制液压油的进回油，从而驱动舵面的偏转，因SimulationX软件与Matlab Simulink联合仿真的接口是通过Matlab生成FMU模块来实现。

2.2 伺服阀模块

伺服阀是将控制信号转换成液压流量的主要执行机构，伺服阀是由电磁线圈、喷嘴挡板、阀芯、反馈等部分组成。

2.3 电磁阀模块

电磁阀的作用是当伺服作动子系统发生故障时，飞行控制计算机发出信号将伺服阀的阀口锁死以起到故障锁定的作用，因SimulationX元件库中已包含该元件，故不用单独建模，只需要将其部分参数与实际参数对比后调整参数即可使用。

2.4 作动筒模型

作动筒通过液压油的进油、回油来实现活塞杆的伸出、缩进进而推动舵面的偏转。伺服作动子系统模型中是由两个相同的作动筒来推动舵面的，两个作动筒同时由同一个伺服阀供压。

2.5 位置反馈模型

系统通过在作动筒活塞端安装一个位移传感器来监控舵面的偏转状态，再将位移信号反馈给飞行控制计算机进行位置比对，当舵面位置达到了飞行控制计算机给定的位置时，作动筒活塞杆即停止运动，从而实现了舵面位置的闭环控制。

2.6 3D显示模块

为了直观的观察舵面的偏转状态，SimulationX还可以通过与CATIA的联合仿真，将CATIA里的三维模型，转换成STL格式的文件导入到SimulationX中，软件根据系统模型输出的位置信号，可直接反应到三维数模上，对应的数模将参数相应的偏转，系统三维模型导入后如图3所示。

图3 舵面三维显示

3 仿真与分析

在所建立的飞控伺服作动子系统的模型基础上，通过合理的选择几种典型工况对系统的性能进行仿真，根据仿真结果对飞控系统的性能进行分析，并通过参数修正和模型修正，实现系统性能的优化。

3.1 伺服作动系统性能仿真

飞控伺服作动子系统性能主要受输入的电信号，伺服阀和作动筒的参数性能以及机械连接部件（包括舵面）等的特性影响。

在进行飞控伺服作动子系统仿真时，将作动筒的行程作为全局参数，将作动筒活塞直径设置为60mm和70mm的两个状态下以及作动筒摩擦力，对作动筒行程的影响如图4和图5所示。

图4 作动筒直径对系统的影响

图5 作动筒摩擦力对系统的影响

3.2 故障检注入

为分析内外部因素对飞控伺服作动子系统的影响，可在模型中注入相应的故障因素，通过分析输出的曲线来验证故障，模型故障注入对分析真实系统的故障提供了快捷的分析检测方法，同时能够降低在系统中注入故障因素对系统部件的损耗。

图6是正常情况下给系统输入舵面偏转30度的阶跃指令后舵面的响应图、图7是在原有的阶跃信号中加入一个低频（频率为1hz，幅值为±1）的干扰信号后舵面的输出响应图。

图6 舵机输入与输出信号

4 结论

通过飞控伺服作动系统仿真结果可以得出：系统中作动筒直径越小，舵面对输入指令的跟随性越好，作动筒的摩擦力对系统的影响相对较小，当系统输入信号中存在干扰时，舵面的偏转会出现偏差，故在系统设计时要考虑过滤各方面的干扰对系统的影响。通过分析各个影响要素设置合理的参数，使整个系统性能最优。