基于AMESim的驾驶员操纵装置阻尼特性研究

许志林，傅 强，万 明

（1.中航工业洪都，江西 南昌330024；2.驻320厂军事代表室，江西 南昌330024）

0 引 言

在电传飞行控制系统中，对驾驶员操纵装置的阻尼比提出了明确要求，国军标要求阻尼比ζ一般应在0.5~1之间。传统的设计方法中，针对阻尼器阻尼比的参数设定，需要通过繁杂的数学计算来分析合理的值，且需要反复进行迭代，数据量较大，很容易出错。本文利用LMS Imagine.Lab AMESim仿真软件对某一设定的驾驶员操纵装置进行建模及仿真分析。

1 驾驶员操纵装置参数要求

本文列举任意一例驾驶员操纵装置的横向操纵部分参数，进行仿真分析。理论参数假定设置如下：

启动力（操纵点处）：8N；

横向最大操纵力：±50N；

阻尼比ζ：0.5~0.85

横向最大操纵位移（操纵点处）：±50mm；

横向操纵点至横向载荷机构的传动比：230mm/ 60mm；

横向操纵点至横向阻尼器的传动比：230mm/ 60mm；

驾驶杆手柄/传动机构等等效至操纵点的质量：2 kg。

2 系统建模

驾驶员操纵装置主要由驾驶杆手柄、传动杆系、载荷机构和阻尼器等组成，建立如图1所示的系统模型，输入信号1模拟给驾驶杆提供的一个初始力，使驾驶杆保持在横向最大操纵位移处，在第1秒的时候开始释放。阶跃信号初始值设置为60，阶跃值为0，阶跃时间为1s。

等效质量块2为具有摩擦力和限位装置的模型，模拟限位装置、启动力（摩擦力）和传动机构的惯量。等效质量块2的参数设置为：

质量：2kg；

图1 驾驶员操纵装置建模

库仑摩擦力：0.5N；

静摩擦力：0.5N；

最低限制位移：-50mm；

最高限制位移：50mm；

其他值为默认值。

等效传动杆系3为模拟驾驶员操纵装置的传动比，L1端臂长设为230mm，L2端臂长设为60mm。

阻尼器4和等效弹簧载荷机构5共同组成驾驶员操纵装置的人感系统。等效弹簧载荷机构5的相关参数根据横向操纵参数计处获得。

3 阻尼器阻尼系数确定

阻尼器的阻尼系数一般为可调节值，为了使阻尼器的可调节参数设置于最佳区间，现使用批处理的方法来进行仿真分析。阻尼器阻尼系数的初步批处理数值见表1。操纵点T的批处理仿真结果见图2所示。

表1 阻尼系数的初步批处理数值 单位：N/(m/s）

图2 不同阻尼系数时的操纵点T批处理仿真时域曲线

根据超调量σ与阻尼比ζ的关系式：

得：

利用AMESim后处理功能，得出变阻尼系数情况下的系统阻尼比结果如图3所示。

根据后处理结果可得出，在给定的条件下，阻尼器的阻尼系数范围在600~750 N/(m/s）之间时，可实现阻尼比在0.5左右；阻尼器的阻尼系数在1950 N/ (m/s）左右时，可实现阻尼比为0.85。

再通过缩小间隙，分别求解两极限值的的阻尼比，可知，阻尼比为0.5时，阻尼器的阻尼系数为670 N/(m/s）；阻尼比为0.85时，阻尼器的阻尼系数为1880 N/(m/s）。因此，在其他条件一定的情况下，当阻尼器的阻尼系数在670 N/(m/s）～1880 N/(m/s）之间时，系统阻尼比在0.5～0.85之间，系统的阻尼比随着阻尼器的阻尼系数的增大而增加。

图3 不同阻尼系数后处理阻尼比结果

4 系统质量对阻尼特性的影响分析

前面已对既定的模型分析得出了比较合理的阻尼系数范围，本节设定阻尼系数为一给定常量800N/ (m/s)，将等效质量列为变量来分析质量变化对阻尼特性的影响，等效质量的批处理数值见表2，批处理仿真时域曲线见图4。

利用AMESim的后处理功能，得出变等效质量情况下的系统阻比如图5所示。

综合时域曲线和后处理结果可知，在阻尼系数为恒值时，系统阻尼比随着系统等效质量 （转动惯量）的增加而减小。

表2 等效质量的批处理数值 单位：kg

图4 变等效质量的操纵点T批处理仿真时域曲线

5 系统摩擦力对阻尼特性的影响分析

5.1 系统静摩擦力对阻尼特性的影响分析

设定阻尼系数为一给定常量800N/(m/s)，等效质量也为一给定常量2kg，动摩擦力设为0.5N，静摩擦力列为变量，分析静摩擦力变化对阻尼特性的影响，静摩擦力的批处理数值见表3（批处理参数值设置时考虑了静摩擦力不应小于动摩擦力），批处理仿真时域曲线见图6。

利用AMESim的后处理功能，得出变静摩擦力情况下的系统阻比如图7所示。

图5 变等效质量后处理阻尼比结果

表3 静摩擦力的批处理数值单位：N

图6 变静摩擦力的操纵点T批处理时域曲线

由批处理的时域曲线和后处理结果可知，在其他参数为恒值时，在系统静摩擦力逐渐增加的过程中，系统阻尼比不发生变化。

图7 变静摩擦力后处理结果

5.2 系统静摩擦力对阻尼特性的影响分析

设定阻尼系数为一给定常量800N/(m/s)，等效质量也为一给定常量2kg，静摩擦力设为5N，动摩擦力列为变量，分析动摩擦力变化对阻尼特性的影响，动摩擦力的批处理数值见表4（批处理参数值设置时考虑了静摩擦力不应小于动摩擦力），批处理仿真结果见图8。

利用AMESim的后处理功能，得出变动摩擦力情况下的系统阻尼比如图9所示。

由批处理的时域曲线和后处理结果可知，在其他参数为恒值时，系统阻尼比随着动摩擦力的增加而增加。

表4 动摩擦力的批处理数值 单位：N

图8 变动摩擦力的操纵点T批处理时域曲线

图9 变动摩擦力后处理结果

6 系统启动力（预载）对阻尼特性的影响分析

设定阻尼系数为一给定常量800N/(m/s)，等效质量为一给定常量2kg，静摩擦力设为0.5N，动摩擦力也为0.5N，分析启动力变化对阻尼特性的影响，启动力的仿真数值见表5。

仿真结果见图10,利用AMESim的后处理功能，得出变启动力情况下的系统阻比如表6所示。

由仿真结果可知，在其他参数为恒值时，系统阻尼比随着启动力的增加而逐渐减小。

表5 启动力的仿真数值 单位：N

7 结 论

本文研究了一种利用AMESim软件提供快速建模仿真分析驾驶员操纵装置的阻尼器参数的方法，在系统其他参数恒定的情况下，驾驶员操纵装置的系统阻尼比：

1）随系统质量的增加而增加；

图10 变启动力（操纵点T）仿真分析

表6 变启动力的仿真结果

2）随阻尼器阻尼系数的增加而增加；

3）与系统的静摩擦力无关；

4）随系统动摩擦力的增加而增加；

5）随系统动启动力的增加而减小。

[1]王永熙.飞机设计手册 第12册.飞行控制系统和液压系统设计.北京：航空工业出版社，2003.

[2]胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2001.

[3]付永领,祁晓野.LMS Imagine.Lab AMESim系统建模和仿真参考手册.北京：北京航空航天大学出版社，2011.