某驾驶员操纵装置非线性问题解决方案

许志林，叶 蕾

（中国航空工业洪都，江西 南昌 330024）

某驾驶员操纵装置非线性问题解决方案

许志林，叶 蕾

（中国航空工业洪都，江西 南昌 330024）

0 引言

某型飞行模拟器（下文简称飞行模拟器）的驾驶员操纵系统由于在设计阶段未对系统的传动关系进行深入分析，导致系统在安装调试阶段出现了纵、横向操纵的非线性问题。为此，需要找到非线性问题出现的原因，并提出相关的解决方案。考虑到所有产品已经安装到位，故应在现有基础上提出一种最经济、最简洁的可行性改进方案。

1 系统简介

飞行模拟器驾驶员操纵装置的操纵负荷（静态杆力、阻尼力）由操纵负荷装置提供，操纵负荷装置的驱动部件为伺服电机，伺服电机为系统提供静态力和阻尼力，其动、静态特性可根据所需要的目标值进行参数化修正。

目标机型的驾驶员操纵装置的纵、横向杆力——杆位移为线性关系，可通过设置操纵负荷系统的相关参数，为驾驶杆提供所需要的线性杆力——杆位移特性。

飞行模拟器的纵、横向操纵系统主要由驾驶杆、纵向杆系、横向杆系、纵向操纵负荷系统、横向操纵负荷系统等组成，系统结构图如图1所示。

纵向操纵时，驾驶杆的前后运动通过拉杆、摇臂组件将其操纵力和位移传递至纵向伺服电机，电机按照设定的系数为驾驶杆提供操纵力和阻尼力，伺服电机的输出力矩与其偏转角度成线性关系，同时可设置初始启动力，伺服电机控制系统逻辑图见图2。纵向操纵系统理论图见图3。横向操纵系统原理与纵向操纵系统基本相同，仅比纵向操纵系统中间多若干传递环节（扭力管、摇臂等），横向操纵系统理论图见图4。

2 问题描述

飞行模拟器所针对的目标机型的驾驶员操纵装置纵、横向杆力——杆位移特性曲线分别如图5、图6所示。

根据纵向操纵系统理论图及纵向杆力——杆位移特性曲线，设力矩电机产生偏角dθ时，产生的增量力矩为dM，则有：

纵向伺服电机需要提供的预载力矩为：

因此，可设置纵向操纵负荷系统的启动力矩为1.133N·m，比例系数为0.342N·m/deg。

同理，可计算横向操纵负荷系统的启动力矩为0.48N·m，比例系数为0.0447N·m/deg。

通过某型专用的驾驶员操纵装置检测设备，测量驾驶员操纵点处的杆力——杆位移特性，实际得出的纵、横向操纵特性曲线如图7、图8所示。

3 原因分析及可行性解决方案

为了对实测的纵、横向操纵特性进行详细的理论分析，利用西门子公司的LMS Virtual.Lab Motion软件建立飞行模拟器纵、横向操纵系统的多刚体动力学模型，通过仿真驾驶杆运动工况，进行深入分析。

3.1 纵向操纵系统

3.1.1 原因分析

建立纵向操纵系统多刚体动力学模型如图9所示。通过对纵向操纵时的实际工况进行仿真分析，绘制驾驶杆转角——电机摇臂转角对应关系传动比曲线，如图10所示，通过传动比曲线与标准直线对比可以看出，该系统的纵向操纵确实存在明显的非线性（为使观察更直观，图中增加了一条标准直线作为参考，该直线并非线性拟合的直线，下同）。对该数据利用OriginPro软件进行线性拟合，得出拟合的标准差SD值为0.20428°，换算至纵向操纵点的线性位移约为1.7mm。

分别对其中的两根拉杆的两端铰点进行传动比分析，定义靠近驾驶杆的拉杆为拉杆1，靠近电机的拉杆为拉杆2，经过分析，两根拉杆的两端铰点在全运动行程内传动比曲线如图11所示。非线性严重的为拉杆2两端铰点之间的传动比，而拉杆1两端铰点的线性度较好。

通过对纵向操纵系统进行分析可知，系统在两根拉杆的两端都采用了不等长摇臂对系统的传动比进行放大，使驾驶杆端铰点的偏角-10.853°传递至电机后，放大至-40.603°，传动比系数过大，导致在后端开始出现了明显的非线性。图11中拉杆1在开始阶段传动比放大较小，所以线性度较好，到拉杆2后传动比增大较多，就开始出现明显的非线性。

3.1.2 可行性解决方案

为解决纵向操纵系统的非线性问题，必须减小其传动比。由于目前的产品已经完成生产和安装，因此，需要在原方案上进行改装设计，而改装方案必须综合考虑经济性和改动量最小化的原则。

由于结构形式的限制，各铰点的固定位置难以变动，因此，主要可改动部件为中间摇臂，改动后的纵向操纵系统理论图见图12，为减小传动比将中间摇臂的R40mm臂长更改为R75mm，同时为使拉杆与摇臂夹角尽量接近90°，适应性更改了拉杆1的长度（由原398.4mm更改为393.3mm）。

对改进后的系统重新进行多刚体动力学仿真，仿真后的二维曲线如图13所示，由图可知，改进后系统的线性度已明显改善，利用Origin软件对改进后的仿真数据进行线性拟合，拟合的标准差SD值为0.054 56°，换算至纵向操纵点的线性位移约为0.45mm。

3.2 横向操纵系统

3.2.1 原因分析

建立横向操纵系统多刚体动力学模型如图14所示。在按照设计要求的横向操纵位移±50mm对模型提交求解时，提示错误中止，检查模型的装配、约束信息均无误，初步估计可能与驱动的参数设置有关，减小极限操纵位移后，模型得以正常运行，经过多次调试，驱动偏角设置为±49.3°为最大可接受值。观察模型的运动过程，发现在驾驶杆左压至极限位置时，电机的摇臂与其连接的拉杆已成接近直线状态（图15），导致之前的求解提示错误。由此可知，横向系统在设计原理上即存在不合理，摇臂与拉杆成直线后，传动比趋于无穷大，机构已无法继续运动。

对减小极限行程后的横向操纵系统进行仿真分析，绘制横向驾驶杆转角——电机摇臂转角传动比曲线，如图16所示，从该图可以看出，在右压杆过程中，存在非常明显的非线性，到极限位置时，曲线已接近水平（传动比趋于无穷大）。利用OriginPro软件进行线性拟合，拟合的标准差SD值为1.01573°，换算至横向操纵点的线性位移约为4.04mm。

3.2.2 可行性解决方案

根据上节中对横向操纵系统的非线性原因分析可知，横向操纵系统与纵向操纵系统同样存在传动比系数过大的问题的，在左压杆时，已经出现电机摇臂与拉杆成直线的严重情况。

对横向操纵系统的各组成部件进行分析，驾驶杆组件为一体化的成品件，无法更改其内部结构，如需解决目前存在的问题，需要在扭力管摇臂或吊挂摇臂上进行设计改进，最简单经济的解决方案为取消中间吊挂摇臂，将电机整体抬高75mm，用一根长拉杆（L770mm） 代替两根沿航向布置的拉杆（L410mm和L360mm），更改后的横向操纵系统理论图见图17。

对改进后的系统重新进行多刚体动力学仿真，改进后的横向操纵系统多刚体动力学模型见图18，改进后的横向操纵系统驾驶杆至电机摇臂的传动比仿真曲线如图19所示。由图可知，改进后系统的线性度已明显改善，利用OriginPro软件对改进后的仿真数据进行线性拟合，拟合的标准差SD值为0.05301°，换算至纵向操纵点的线性位移约为0.21mm。

4 改装方案仿真验证

针对改进后的方案，建立新的多体动力学模型，根据理论计算的线性传动比在力矩电机处设定一带有启动力的线性弹簧力，并在操纵点处施加规定的位移驱动，仿真得出改进后的纵、横向操纵杆力——杆位移特性曲线如图20、图21所示（纵向操纵时前推杆为负、后拉杆为正，横向操纵时左压杆为负、右压杆为正）。

由图20可知，纵向操纵时，前推杆的线性度较好，后拉杆在60mm以后开始出现较小的非线性，但整个过程中变化较小，至后拉极限时，变化值仍在可接受的公差范围内。

同样，在图21中，横向操纵时，在左、右压杆至30mm以后，也出现了较小的非线性，但变化很平缓，至极限位置时，操纵力均在可接受的公差范围内。

5 结语

由于该飞行模拟器在早期设计阶段未进行深入的传动比分析，导致问题在安装调试过程中才被发现。本文针对某型飞行模拟器在安装调试过程中，操纵系统出现的非线性问题，利用西门子公司的LMS Virtual.Lab Motion软件对问题原因进行仿真分析，并利用Origin软件对传动比曲线的非线性情况进行定量分析，基于改动最小化及最经济的原则，提出了可行性的解决方案。

[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]万晓峰,刘岚.LMS Imagine.Lab Motion入门与提高.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

>>>作者简介

许志林，男，1982年出生，2006年毕业于南京航空航天大学，工程师，主要研究领域为操纵系统设计与液压伺服作动系统设计。

Solution to Nonlinear Problem on Pilot’s Control Device

Xu Zhilin，Ye Lei
（AVIC-HONGDU，Nanchang,Jiangxi，330024）

During the static test of the pilot’s control device of a flight simulator for one type of aircraft,it is found that the longitudinal and lateral stick force,i.e.the stick displacement curve is nonlinear,which is not in conformity with the theoretical linear gradient curve.This paper carries out simulation analyses for relevant objects through software LMS Virtual.Lab,thus finding out the cause of the nonlinear problem and providing feasible solution, meanwhile,the new solution is verified by simulation.

Flight simulator;Simulation;Nonlinear

2017-01-15）