飞行模拟器运动平台的计算力矩控制

飞行模拟器运动平台的计算力矩控制

杜旭

天津津航神舟科技有限公司天津300384

摘要：随着我国航空事业的发展，飞行模拟器在飞行员训练和大型、高端飞机的研发中发挥着越来越重要的作用，带有运动系统的飞行模拟器能大幅提升飞行模拟器的品质。另一方面也在寻求更加经济和轻便的模拟器方案,以适应支线航空公司和通用航空领域日益增长的培训需求。本文分析了飞行模拟器运动平台的计算力矩控制。

关键词：飞行模拟器；运动平台；计算力矩控制

飞行模拟器分为工程研究用模拟器和训练用模拟器，工程研究用模拟器主要用于新型飞行器的研究、试验以及对已有飞行器进行技术改进;训练用模拟器主要用于训练飞行人员的驾驶技术、领航技术和作战技术。

一、概述

飞行模拟器是对飞行员进行培训的重要工具,利用飞行模拟器来训练飞行员,具有节能、经济、安全、不受场地和气候条件的限制,训练周期短,训练效率高等突出优点。在模拟器上可以进行各种复杂飞行环境、飞行失效状态及军事上导弹闪避技术等的训练。模拟器也是飞机设计研制的工具,通过它可以早期发现问题,减少风险;综合系统验证,解决各系统之间的动态匹配连接关系;使飞行员及早参与飞机的设计研制工作。目前已经开发出各种用途的模拟器:飞行模拟器、自行车模拟器、驾驶模拟器等。作为模拟器载体的六自由度并联运动平台是模拟器的重要组成部分,该运动平台主要采用并联机构平台结构,因为平台具有刚度高,承载能力大,动态特性好等一系列优点。在飞行模拟过程中,要求运动平台具有较高的速度和加速度,因此必须对其进行动力学控制。一些学者针对并联类型的平台提出了一些控制方法,但是这些控制算法本身较复杂,执行起来较困难,而计算力矩控制方法较简单。

二、飞行模拟器运动平台的计算力矩控制

1.运动平台的控制。对于机动性飞行器必须提供多自由度运动平台支撑下的模拟活动座舱，六自由度平台运动是一个由数字计算机实时控制，可模拟飞机俯仰、滚转、偏航、升降和纵向、侧向平移运动过载的模拟装置。飞行模拟运动平台系统用于飞行过载的效应模拟，这种模拟是非常必要而且重要的。在瞬时过载模拟中，这种装置主要采用了两种技术:一是将飞机运动计算参数变换为考虑飞行员对瞬时过载感觉门限的座舱运动参数;二是在执行完一次突发运动指令后使座舱能够迅速恢复到原始中立位置，使飞行员可以在地面模拟有限行程下有效感觉到加速度及过载。对于平台的控制主要通过控制6个液压作动筒伸缩来实现，对液压作动筒的控制采用速度、位置双闭环控制系统，引入伺服环节，实时采集每个作动筒的长度、内腔压力和外腔压力，从而有效控制作动筒的伸缩长度和速度。由于运动平台各向行程有限，而且液压作动筒本身有一些性能限制，因此在模拟飞行时不可能达到真实飞机所能达到的飞行过载。为了在有限范围内更好地实现飞行模拟，对飞行模拟器的俯仰角、偏航角、滚转角，纵向行程、侧向行程、法向行程及过载进行限幅处理。飞行模拟器的俯仰角、偏航角、滚转角限幅为－0．4～0．4rad，纵向行程、侧向行程和法向行程限幅为1．1m，过载限幅为1g。过载限幅并没有对过载变化的变化率进行缩减，而只是对峰值进行了限制，因此在机动操作中，初始过载感觉和真实飞机是一样的，可以对飞行员操作进行有效跟随。

2.计算力矩控制。

（1）洗出环节设计。洗出环节的目的是在运动平台运动行程范围内，给飞行员提供较为逼真的瞬时过载及重力影响感觉，在运动平台完成一次突发运动之后，能缓慢返回中立位置，以便在有限行程范围内能执行下一次突发运动指令。洗出环节是功能描述，主要是以二阶环节作为传递函数来实现，通过设计二阶环节的时间因子、阻尼因子和比例因子使其达到一个最佳状态。洗出环节首先需要进行坐标变换，将活动坐标系内运动平台质心处的线加速度变换到固定坐标系中。然后根据主控计算机给出的3个轴向过载和3个角加速度，通过洗出环节滤波计算得出座舱的需求位置坐标和姿态角。载荷系数nz和nx低频带宽作用于飞行器，可以通过座舱滚转角和偏航角平滑倾斜来模拟。相应的载荷系数信号必须始终通过二阶低通滤波器组合Fzl和Fxl，表达式为：，经过测试，洗出环节的输出与输入具有良好的跟随性和平滑性，能够使模拟座舱的回中感觉达到最低程度。

（2）动力系统建模。

运动平台系统的结构如图1和图2所示。液压作动筒的特征点分布在上下两个圆上，下面的特征点分布在半径为R的大圆上;上面的平台平面特征点分布在半径为r的小圆上。上下两个圆面特征点间的最小距离分别为d和D。液压作动筒下面的支点的平面为基准平面，基准平面外接圆的圆心为O，半径为R。液压作动筒上面的支点组成的平面为运动平台平面，运动平台平面外接圆圆心为o'，半径为r。建立基准面坐标系OXYZ，原点在O，与地球相关联，它的3个轴向单位矢量为l、m和n，基准面坐标系的X轴方向为基准面和液压作动筒下面的支点的对称面的交线。Y轴为从原点O垂直向上。运动平台坐标系原点在o'，其x'轴沿运动平台平面和液压作动筒上面的支点的对称面的交线方向，与运动平台平面垂直相交。y'轴向上垂直于运动平台平面。座舱坐标系sxyz，以座舱中心s为原点，与坐标系相平行。图中相关矢量说明如下:A连接从基准面圆心O到点s，A的X、Y和Z坐标以基准坐标系为参考;S连接运动平台中心点o'到点s，S的坐标SX、SY和SZ以平台坐标系为参考;Ri连接基准面中心O到下面的支点和Riz分别表示Ri在基准坐标系的值;ri连接运动平台平面中心o'到上面的支点分别表示ri在运动平台坐标系的值;Li连接下面的支点到上面的支点。在运动平台启动之后，系统会控制平台运动到一个中立位置，然后根据从主控计算机接收的3个轴向过载和3个角加速度指令，通过洗出环节得出座舱位置坐标和姿态角，再根据建立的运动系统模型，通过指令解算控制得出6个液压作动筒的长度变化，进而通过伺服系统控制平台的运动。伺服控制系统完成运动平台的驱动与控制，采用典型的内外腔压力差闭环控制方法，使得液压作动筒兼顾响应迅速和控制精确的要求，同时保证运动的平缓，避免抖动与震颤的发生，具有良好的效果。

3.仿真分析。液压作动筒的初始伸出量设为0．9m，因此液压作动筒的伸缩范围应该在±0．9m之内。在建立系统仿真模型，三向过载以幅值为5，周期为2π的正弦信号作为输入激励，三向角加速度以幅值为0．4rad，周期为2π的正弦信号作为输入激励进行测试。从运行结果可以看出，运动座舱的位置坐标和姿态角变化合理，坐标变化在0.4m之内，姿态角变化不超过0．2rad，6个作动筒的变化能有效地控制在±0．9m范围之内。控制在飞行模拟器平台中进行实际测试应用后，能够平滑地控制运动平台的起落，同时兼顾响应快速性，控制时间步长设置为5ms，跟随快速性保证在20ms以内，满足系统的需求。

根据仿真计算机给出的过载和角加速度信号，通过限幅环节、洗出环节和指令解算控制，得出液压作动筒的长度变化，从而控制运动平台的运动。从仿真结果和实际应用都可以看出，模型和控制算法设计都能够满足系统需求，具有良好的效果。

参考文献：

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