B737NG模拟机操纵负荷模型

张戟

摘 要：精确地模拟飞行员在操作飞机操纵装置时所感觉到的力，对于实现逼真的飞行模拟极其重要。加拿大Mechtronix的B737NG型D级全任务飞行模拟机，选用了Fokker公司的Ecol 8000 系电动操纵负荷系统。了解该系统操纵负荷模型的原理、架构，对运行、维护、改造、设计飞行模拟机/训练器中的操纵系统具有现实意义。

关键词：飞行仿真 电动操纵负荷系统 负荷模型

中图分类号：V32 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0007-02

模拟机训练现在已经是飞行员训练、评估中不可或缺的重要环节，对于模拟训练仿真程度的要求也越来越严格。操作系统作为飞行员模拟机训练中的重要硬件结构，直接影响到飞行员的训练效果，一套逼真的模拟机操纵系统对于飞行训练的重要性是不言而喻的。操纵负荷模型作为操纵系统的灵魂，直接影响到模拟机/器与所模拟的飞行器之间的操纵相似程度，从而影响到飞行员在该模拟机/器上的训练水平。

1 原理及架构

典型的飞机操纵系统包括座舱内飞行员可操作的操纵装置（杆，盘，脚蹬，桨矩杆等），它们通过钢索、连杆、线传装置与引起操纵面运动的的操纵系统其余部分相连。在飞行模拟器中，本系统是通过将座舱操纵装置连接到操纵负荷系统来模拟的。图1描述了操纵负荷系统所模拟的一般飞机操纵系统，图2给出了相应的弹簧质量阻尼器系统，图3给出了典型的模拟器操纵负荷系统的安装。

可见，真实的飞机操纵元件、以及作动器和控制器，代表飞机操纵系统的前端质量。前端质量的位置和速度来自作动器的位置传感器。操纵负荷软件仿真后端系统质量和钢索系统中的力。后端系统模型决定了作用在后端系统上的总力，也就决定了后端系统的加速度，速度和位置。

前端系统位置和模拟的后端位置之差是钢索系统的拉伸/压缩。由于钢索是当作一个刚性弹簧仿真的，所以钢索力与拉伸量成比例，钢索力同等作用在前端质量和后端质量上。

2 静态操纵力的分析

本节描述了飞行员感觉到的静态力以及如何辨识特性参数。图4给出了一个典型操纵系统所测得的操纵力，该力被作为操纵位置的函数绘制出来。

测量静态力时有两点是非常重要的。第一，当系统演示摩擦力时，最好让操纵装置在测量过程中连续移动以得到最大摩擦力。如果保持操纵装置在某一位置，保持那一位置所需的力可能落在摩擦区域内的任何地方。第二，必须非常缓慢地（准静态）移动操纵装置，以防止系统的动态（质量和阻尼）影响测量。使用Fokker的操纵力测量系统可以很容易地得到这样的图线。

初看这些数据，能够看出该操纵系统包括中立位置附近的一个起动弹簧、摩擦、几个感觉弹簧梯度、以及位移极限。箭头指出了测量时位移的方向。下面也将按同样的过程分析这些信息。

当测量飞机操纵系统时，操作者从（A）点开始，在（A）点不施加力（手松开），操纵装置停在配平位置。然后施加前向的力，操纵装置一开始非常吃力，因为它是在起动弹簧区域内向（B）点移动。经过（B）点后，起动引起的力变为常值，力的变化只与感觉弹簧有关。注意（C）点附近感觉弹簧斜率的变化。当操纵装置到达（D）点，操纵面到达它的位移极限。当操作者继续施加更大的力，仅仅是座舱操纵装置移动，直至达到（E）点的座舱位移极限。既然操纵面停在（D）点，那么（D）点和（E）点之间的移动是由于钢索拉伸的结果。座舱内操纵装置的位移限制在（E），所以再进一步施加力只会产生很小的或者根本没有操纵位移。

当施加的力减少时，操纵装置首先离开座舱止动位置，然后操纵面离开后端位移极限。力继续保持相同的趋势直到操纵装置到达中立位置。前进和返回力之间明显的滞后现象是由于摩擦。向后的力与向前的力相似。

操纵系统内产生力的组件具有可加性。因此特性起动力、感觉弹簧、摩擦和止动力可以单独确定，总力与基准飞机数据相等。图5说明了力的分类（来自于举例飞机的数据）。

一般操纵系统模型包括图5所示的每一分力的特性仿真。只需确定每一分力的参数值。每一分力的模拟需要它自己类型的参数，但其范围通常为力水平、位置、和/或斜率。

当计算静态力图线来确定特征参数时，需要考虑下列问题。

力水平可以直接读出来。例如起动水平为±5磅。

当确定一特性力发生的位置时，弄清楚力是在前端系统还是后端系统发生（或者至少它将被在哪儿模拟）是很重要的。既然后端系统产生的力由前端系统飞行员施加的力来抵挡，所以需要记住承载负载的互连钢索要拉伸，拉伸量与力成比例。

钢索的刚度可从静态力图线中直接测得。D点和E点之间的区域表示由于钢索的拉伸而引起的力的改变。两点之间曲线的斜率（力的变化除以位置的变化）就是钢索的刚度。在我们所举的例子里，钢索刚度约为50磅每英寸。在有些情况下，钢索的拉伸并不如此明显。在这种情况下，必须使用机身制造厂商的数据。后端系统力产生的位置可以通过读取座舱操纵装置的位置减去钢索拉伸的量计算得到。在任意给定座舱操纵装置位置处的钢索拉伸量等于该位置的力与钢索刚度的倒数的乘积。

前端系统中的特性力的位置可以直接从位置轴上读出。后端系统内的弹簧斜率可通过用力（从数据中测得）的变化除以后端位置（由座舱位置转换成后端位置）的变化得到。

不管向前或向后，摩擦力大小相等，与速度方向相反。因此摩擦力水平是所测得的平均滞后宽度的一半。另外摩擦可以分为前部摩擦（操纵元件内的摩擦）和后部摩擦（操纵面内的摩擦）。经验表明绝大部分摩擦应该在后部系统中模拟。

3 动态操纵力的分析

本节讲述飞行员所感觉到的动态力以及如何调整特性参数以与飞机随时间变化的曲线相匹配。对大多数有鉴定需求（FAA，CAA，NTSC）的机构来说，要求与飞机操纵装置的时间曲线相匹配。与时间曲线相匹配的目的是确保模拟器的动态参数与飞机的动态参数匹配。

动态参数的确定比静态参数的确定要困难的多。理由在于它们给出的图线形式：静态力参数是通过力对位置的曲线给出来的，动态参数是位置对时间。静态力可由力对位置的曲线直接确定，而动态力只能由位置对时间的曲线间接得到。

图6给出了飞行操纵装置随时间变化的曲线图。该飞行操纵装置加载有一个感觉弹簧，这样给出初始偏差，然后放开，操纵装置就会被拉回至中立位置。图6所示的控制装置是过阻尼的：它不会在中立位置处振荡。增加图6的阻尼，系统会以更慢的速率回到零点。增加速度极限系统会以较快的速率回到零点。

图7是一个欠阻尼系统随时间而变化的曲线：飞行操纵装置在中立位置来回振荡几次。振荡的产生与质量的效果有很大关系。阻尼增加了，相同时间内振荡变小（也变少）。惯性增加会使振荡更大，时间更长。摩擦增大会使振荡变小（也变少）。

总而言之，飞行操纵系统 “自由释放”由下列各项决定。

（1）回中力（感觉弹簧，气动力）。

（2）系统阻尼。

（3）系统惯性。

（4）速度极限。

4 通用模型详细说明

在此通过一个通道的模型方框图8的对ECoL 8000系统中实现的通用模型进行了详细的说明，其他通道亦使用相同的模型。LaPlace算子‘s表示积分。

通用模型模拟的是两个刚体，之间弹性连接（钢索/推拉杆），如图1所示。第一个刚体代表飞行操纵前端系统，由模拟器飞行操纵装置和ACU中的力回路控制器来仿真。第二个刚体代表飞行操纵面（升降舵/副翼/脚蹬/旋转斜盘），在操纵负荷计算机中仿真。模型中不包括力传动和位置传动，力是指作动器力传感器的测量值，单位为牛顿，位置为扇形旋转轮的输出角度，单位是度。

仿真模型包括下列要素。

杆/座椅抖振器：包括一个幅值和频率可以实时选择的单个的正弦发生器。抖振器可以是一个“力”抖振器（一个正弦波的力被叠加到模型力上），或者是一个“位置”抖振器（操纵装置/座椅由一个正弦波位置指令信号驱动）。力抖振器能够模拟如紊流或杆的失速特性，位置抖振器能够驱动座椅来模拟诸如在直升机内所感觉到的摆动。当幅值为正时，抖振器作为力抖振器工作，当幅值为负时，作为位置抖振器工作。在后一种情况里，“堵塞位置”被叠加以确定的正弦波。

前端系统和后端系统之间的连接：连接/钢索的拉伸量是前端位置与后端位置之差。连接力是连接拉伸量与连接刚度的乘积。在连接死区内连接力为零。

后端系统：代表操纵面或者直升机的旋转斜盘，被作为一个有摩擦和阻尼的刚体来模拟，摩擦和阻尼由主机控制。自动驾驶仪的输入也可以由后端系统来模拟：将“A/P 接通”置为1，使自动驾驶仪接通，输入一个指令速度。注意：如果后端摩擦被设置在足以克服模型力的水平上，操纵装置就只能响应指令速度。如果自动驾驶仪接入，后端摩擦对自动驾驶仪起到切断水平的作用。后端止动也在本系统内模拟。

感觉弹簧/配平系统：感觉弹簧力是后端位置与配平位置之差的非线性函数。配平位置是感觉弹簧计算的参考位置。配平位置是来自主机的配平速度的积分。配平位置被限制在后端位置极限内，输出送给主机。主机能够设置三级感觉弹簧斜率和两个断点。有一个限制程序防止断点的错误设置。要注意，此处所提到的配平是指机械配平。气动配平可以通过气动力偏差来模拟，如果飞机是可逆的，可以用感觉弹簧来模拟气动力。

起动：起动是一个与感觉弹簧串联的非线性弹簧。配平位置为起动力计算的参考位置。主机能够设置线性梯度，力以该梯度上升至起动水平，还能够设置起动水平。该模块计算的力决不会超过主机设置的起动水平。

气动力：气动力由主机计算，当作操纵面偏移量的函数。主机能够输入一个气动力偏差和一个气动力梯度。二者应该变化得比较缓慢，作为动压和飞机状态的函数。

通用模型包括一个配平/自动驾驶仪开关。下为可能的组合见表1。

5 结语

本文描述了Fokker ECoL系统中所用的通用操纵负荷模型的架构、功能，以及通用模型的特点、详细信息，并使用方框图对模型加以说明，对模型参数的作用也作了较为详细的阐述。了解操纵负荷模型，对运行、维护、改造、设计飞行模拟机/训练器中的操纵系统是有用的。

参考文献

[1] System description & Specification Ecol 8000 Q&C_line ECLS.

[2] Installation & Operation Manual Ecol 8000 Q&C_line ECLS.

[3] Maintenance manual B737-800 FFS for CAFUC.

动态参数的确定比静态参数的确定要困难的多。理由在于它们给出的图线形式：静态力参数是通过力对位置的曲线给出来的，动态参数是位置对时间。静态力可由力对位置的曲线直接确定，而动态力只能由位置对时间的曲线间接得到。

图6给出了飞行操纵装置随时间变化的曲线图。该飞行操纵装置加载有一个感觉弹簧，这样给出初始偏差，然后放开，操纵装置就会被拉回至中立位置。图6所示的控制装置是过阻尼的：它不会在中立位置处振荡。增加图6的阻尼，系统会以更慢的速率回到零点。增加速度极限系统会以较快的速率回到零点。

图7是一个欠阻尼系统随时间而变化的曲线：飞行操纵装置在中立位置来回振荡几次。振荡的产生与质量的效果有很大关系。阻尼增加了，相同时间内振荡变小（也变少）。惯性增加会使振荡更大，时间更长。摩擦增大会使振荡变小（也变少）。

总而言之，飞行操纵系统 “自由释放”由下列各项决定。

（1）回中力（感觉弹簧，气动力）。

（2）系统阻尼。

（3）系统惯性。

（4）速度极限。

4 通用模型详细说明

在此通过一个通道的模型方框图8的对ECoL 8000系统中实现的通用模型进行了详细的说明，其他通道亦使用相同的模型。LaPlace算子‘s表示积分。

通用模型模拟的是两个刚体，之间弹性连接（钢索/推拉杆），如图1所示。第一个刚体代表飞行操纵前端系统，由模拟器飞行操纵装置和ACU中的力回路控制器来仿真。第二个刚体代表飞行操纵面（升降舵/副翼/脚蹬/旋转斜盘），在操纵负荷计算机中仿真。模型中不包括力传动和位置传动，力是指作动器力传感器的测量值，单位为牛顿，位置为扇形旋转轮的输出角度，单位是度。

仿真模型包括下列要素。

杆/座椅抖振器：包括一个幅值和频率可以实时选择的单个的正弦发生器。抖振器可以是一个“力”抖振器（一个正弦波的力被叠加到模型力上），或者是一个“位置”抖振器（操纵装置/座椅由一个正弦波位置指令信号驱动）。力抖振器能够模拟如紊流或杆的失速特性，位置抖振器能够驱动座椅来模拟诸如在直升机内所感觉到的摆动。当幅值为正时，抖振器作为力抖振器工作，当幅值为负时，作为位置抖振器工作。在后一种情况里，“堵塞位置”被叠加以确定的正弦波。

前端系统和后端系统之间的连接：连接/钢索的拉伸量是前端位置与后端位置之差。连接力是连接拉伸量与连接刚度的乘积。在连接死区内连接力为零。

后端系统：代表操纵面或者直升机的旋转斜盘，被作为一个有摩擦和阻尼的刚体来模拟，摩擦和阻尼由主机控制。自动驾驶仪的输入也可以由后端系统来模拟：将“A/P 接通”置为1，使自动驾驶仪接通，输入一个指令速度。注意：如果后端摩擦被设置在足以克服模型力的水平上，操纵装置就只能响应指令速度。如果自动驾驶仪接入，后端摩擦对自动驾驶仪起到切断水平的作用。后端止动也在本系统内模拟。

感觉弹簧/配平系统：感觉弹簧力是后端位置与配平位置之差的非线性函数。配平位置是感觉弹簧计算的参考位置。配平位置是来自主机的配平速度的积分。配平位置被限制在后端位置极限内，输出送给主机。主机能够设置三级感觉弹簧斜率和两个断点。有一个限制程序防止断点的错误设置。要注意，此处所提到的配平是指机械配平。气动配平可以通过气动力偏差来模拟，如果飞机是可逆的，可以用感觉弹簧来模拟气动力。

起动：起动是一个与感觉弹簧串联的非线性弹簧。配平位置为起动力计算的参考位置。主机能够设置线性梯度，力以该梯度上升至起动水平，还能够设置起动水平。该模块计算的力决不会超过主机设置的起动水平。

气动力：气动力由主机计算，当作操纵面偏移量的函数。主机能够输入一个气动力偏差和一个气动力梯度。二者应该变化得比较缓慢，作为动压和飞机状态的函数。

通用模型包括一个配平/自动驾驶仪开关。下为可能的组合见表1。

5 结语

本文描述了Fokker ECoL系统中所用的通用操纵负荷模型的架构、功能，以及通用模型的特点、详细信息，并使用方框图对模型加以说明，对模型参数的作用也作了较为详细的阐述。了解操纵负荷模型，对运行、维护、改造、设计飞行模拟机/训练器中的操纵系统是有用的。

参考文献

[1] System description & Specification Ecol 8000 Q&C_line ECLS.

[2] Installation & Operation Manual Ecol 8000 Q&C_line ECLS.

[3] Maintenance manual B737-800 FFS for CAFUC.

动态参数的确定比静态参数的确定要困难的多。理由在于它们给出的图线形式：静态力参数是通过力对位置的曲线给出来的，动态参数是位置对时间。静态力可由力对位置的曲线直接确定，而动态力只能由位置对时间的曲线间接得到。

图6给出了飞行操纵装置随时间变化的曲线图。该飞行操纵装置加载有一个感觉弹簧，这样给出初始偏差，然后放开，操纵装置就会被拉回至中立位置。图6所示的控制装置是过阻尼的：它不会在中立位置处振荡。增加图6的阻尼，系统会以更慢的速率回到零点。增加速度极限系统会以较快的速率回到零点。

图7是一个欠阻尼系统随时间而变化的曲线：飞行操纵装置在中立位置来回振荡几次。振荡的产生与质量的效果有很大关系。阻尼增加了，相同时间内振荡变小（也变少）。惯性增加会使振荡更大，时间更长。摩擦增大会使振荡变小（也变少）。

总而言之，飞行操纵系统 “自由释放”由下列各项决定。

（1）回中力（感觉弹簧，气动力）。

（2）系统阻尼。

（3）系统惯性。

（4）速度极限。

4 通用模型详细说明

在此通过一个通道的模型方框图8的对ECoL 8000系统中实现的通用模型进行了详细的说明，其他通道亦使用相同的模型。LaPlace算子‘s表示积分。

通用模型模拟的是两个刚体，之间弹性连接（钢索/推拉杆），如图1所示。第一个刚体代表飞行操纵前端系统，由模拟器飞行操纵装置和ACU中的力回路控制器来仿真。第二个刚体代表飞行操纵面（升降舵/副翼/脚蹬/旋转斜盘），在操纵负荷计算机中仿真。模型中不包括力传动和位置传动，力是指作动器力传感器的测量值，单位为牛顿，位置为扇形旋转轮的输出角度，单位是度。

仿真模型包括下列要素。

杆/座椅抖振器：包括一个幅值和频率可以实时选择的单个的正弦发生器。抖振器可以是一个“力”抖振器（一个正弦波的力被叠加到模型力上），或者是一个“位置”抖振器（操纵装置/座椅由一个正弦波位置指令信号驱动）。力抖振器能够模拟如紊流或杆的失速特性，位置抖振器能够驱动座椅来模拟诸如在直升机内所感觉到的摆动。当幅值为正时，抖振器作为力抖振器工作，当幅值为负时，作为位置抖振器工作。在后一种情况里，“堵塞位置”被叠加以确定的正弦波。

前端系统和后端系统之间的连接：连接/钢索的拉伸量是前端位置与后端位置之差。连接力是连接拉伸量与连接刚度的乘积。在连接死区内连接力为零。

后端系统：代表操纵面或者直升机的旋转斜盘，被作为一个有摩擦和阻尼的刚体来模拟，摩擦和阻尼由主机控制。自动驾驶仪的输入也可以由后端系统来模拟：将“A/P 接通”置为1，使自动驾驶仪接通，输入一个指令速度。注意：如果后端摩擦被设置在足以克服模型力的水平上，操纵装置就只能响应指令速度。如果自动驾驶仪接入，后端摩擦对自动驾驶仪起到切断水平的作用。后端止动也在本系统内模拟。

感觉弹簧/配平系统：感觉弹簧力是后端位置与配平位置之差的非线性函数。配平位置是感觉弹簧计算的参考位置。配平位置是来自主机的配平速度的积分。配平位置被限制在后端位置极限内，输出送给主机。主机能够设置三级感觉弹簧斜率和两个断点。有一个限制程序防止断点的错误设置。要注意，此处所提到的配平是指机械配平。气动配平可以通过气动力偏差来模拟，如果飞机是可逆的，可以用感觉弹簧来模拟气动力。

起动：起动是一个与感觉弹簧串联的非线性弹簧。配平位置为起动力计算的参考位置。主机能够设置线性梯度，力以该梯度上升至起动水平，还能够设置起动水平。该模块计算的力决不会超过主机设置的起动水平。

气动力：气动力由主机计算，当作操纵面偏移量的函数。主机能够输入一个气动力偏差和一个气动力梯度。二者应该变化得比较缓慢，作为动压和飞机状态的函数。

通用模型包括一个配平/自动驾驶仪开关。下为可能的组合见表1。

5 结语

本文描述了Fokker ECoL系统中所用的通用操纵负荷模型的架构、功能，以及通用模型的特点、详细信息，并使用方框图对模型加以说明，对模型参数的作用也作了较为详细的阐述。了解操纵负荷模型，对运行、维护、改造、设计飞行模拟机/训练器中的操纵系统是有用的。

参考文献

[1] System description & Specification Ecol 8000 Q&C_line ECLS.

[2] Installation & Operation Manual Ecol 8000 Q&C_line ECLS.

[3] Maintenance manual B737-800 FFS for CAFUC.