飞机过载飞行模拟器运动仿真分析

刘智汉

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

飞行模拟器主是作用于地面模拟飞行器在空中飞行和地表滑动的专业设备，主要应用于飞行员模拟培训、新机试飞以及故障分析等领域，具有科学、安全、方便、可靠、工作效率较高且不受气候和环境因素限制的特征。飞机过载飞行运动平台作为飞行模拟器的关键构成部分，具体负责向飞行模拟器内的驾驶员提供和现实飞机在空中飞行时的相同运动感觉，对模拟器飞行模拟的逼真度有着极其重要的影响。实现和真实飞行相同的运动感觉主要是根据运动平台对空气动力学的标准指标，尤其是加速度标准的反跟踪能力与实时效果。因为运动平台的空间是极其有限的，现行办法通常是根据预先设计出来的滤波算法获得初始加速度指标后，最后转变为对运动平台的位移控制，加速度指标反跟踪效果一般会较低，直接影响平台的模拟运动飞行效果。

1 设计控制器

根据偏差比例优化、积分调整以及微分调改对控制器进行模拟，简称PID 控制器。PID 控制器构造简单明了，并不是一定需要模拟对象运动的数学模型，其参数调改较为简便，在长期实践应用中已经累积了极其丰富的经验，在计算机系统中引进PID 控制器，利用编码程序表达其控制原理，实践证明对于绝大部分控制对象均可以获取较为满意的应用效果。PID 控制器是作为一种线性方程模拟控制器，它按照预设值 ( )r t 与实际输出值 ( )c t 组建控制偏差：

将控制偏差公式的比例(P)、积分(I)与微分(D)利用线性方程计算获取控制量，对被控对象实施完全控制，因此称之为PID 控制器。PID 控制器的每个校正流程对飞行模拟器的作用有以下几点：

比例环节。根据一定比例对应出控制器的偏差信号( )e t ，一旦发现偏差，控制器就会马上放大控制器的偏差以推动控制力，使控制量朝着偏差降低的方向发展。因为比例控制只是单纯地让被调量恢复到预设值上下波动，因此只存在比例控制时控制器会出现稳态误差。

积分环节。积分环节输出的调整信号与输入偏差之间是不存在对应关系的，积分控制器将偏差积累的最终结果输出，在调整环节中，只要存在偏差，其输出调整信号就会逐渐加大，直到确定误差消除，系统无差性和稳定性提高。积分调改的好坏主要取决于积分常数Ki。Ki 越大，积分的积累作用越强，反之则积分性越弱。积分调整作用虽然一定程度上能够降低误差值，可能会大大影响控制器的响应速度，增强其输出调度。因此可以将比例与积分环节进行自由组合，使控制器进入稳定误差状态。

微分环节。比例调整环节与积分调整环节均属于按照控制器的偏差信号来完成飞行器运动模拟的，而微分环节则是按照控制器的偏差波动趋势(即变化趋势)来实现动作的。实际的控制器中不仅需要降低稳态误差，同时还需要调整时间越短越好，因此需动作的发生必须在出现偏差与偏差发生的瞬间一刻，不单需要对偏差量进行实时限制，还需对偏差变动以及偏差波动趋势预先设置好合适的控制量。为了模拟出飞行模拟器的运动状态，可以适当引进微分栏，如此就能够在偏差发生变动以前就开始实施手段，当发现偏差出现较大波动时，就能够适宜地添加一个较大的调节作用。如此就能够降低偏差变动频率，优化调整品质，提高控制器的动作幅度，缩短调节时间。

当被调整参数固定在一定数值以后，微分积累暂停作用了，此时即使在出现较大偏差，调整器也不会继续动作。所以纯微分积累是实现不了稳态偏差消除的目的。按照以上PID 控制器各个校改环节对飞行模拟器的作用，可以总结出以下参数调整手段。凑试法。凑试法主要是利用控制器将响应曲线（如激波响应）完全输入，后调整各个参数值，获得每个参数对控制器的作用规则，重复修改，最终求得预期的响应曲线，如此一来，就能够获得PID 控制器的实际考校参数。在凑试以前，必须事先掌握PID 控制器的每个参数在发生变化时控制器对应的响应规律。

在增大比例值K 时，可以让控制器的响应速度加快，并可以降低其稳态误差值，可比例值并不是越大越好，比例值达到一定值后就会继续加大控制器的调整量，最终产生标准状况下的曲线震荡，降低飞行模拟器的稳定性。后是积分系数，降低积分系数能够在一定程度上降低控制器的超调量，减缓曲线震荡，强化飞行模拟器的稳定性，可还是会对系统稳态误差的消除速度产生影响。扩大微分常数能够提升控制器的响应时间，降低系统的超调量，增强飞行模拟器的稳定性，强化其抗干扰性，以确保在后续仿真中飞行器运动状态的稳定和规律性。

2 发出驱动命令

飞行样机的运动仿真中，为了使飞机过载飞行模拟器合理运动，对驱动命令进行模拟是必不可缺的，可以在模拟运动副时直接下达驱动指令，也能在运动副模拟以后重新加以定义。定义驱动指令时，按照机构要求的运动方式对初始运动副进行定义，其余运动副均设为从属状态。样机在进行仿真时，为了使机构可以实现预设的运动仿真，可以在仿真机构中对运动状态进行模拟，或按照运动状态重新编写代码，模拟新的运动状态，以使机构可以依据所设运动状态完成运动仿真。合理的驱动指令模拟完成后，机构就能够继续运动了，运动过程中能够更加直观、具体地看到机构的运动状况，同时还能够进一步激活运动传感器，选择适宜的对应参数，生成一系列数据表或曲线图对其运动状态进行分析。

3 动力学平台建模

在暂时不考虑拉绳和物理动力学相关特征的前提下，利用Newton-Eular 法模拟飞机过载飞行器平台的动力学模型以揭示运动状态：

公式（3）中， ( )M X 代表飞行器平台的惯性常量，代表非线性方程离心力矩阵，代表平台飞行器的重力加速度，ew 代表平台飞行器所受外力承重，除此之外，需要格外注意的是，拉绳牵拉力T 的改变具体可通过公式（4）求解：

式（4）中，RW 代表作用于平台飞行器的广义运动矢量，JT代表飞行器的More-Penrose 逆行矩阵。等式右侧第一项代表辅助外力的平衡力，第二项则是利用系数W 调节牵拉绳内力的零空间项。

4 运动仿真

为模拟出飞机过载飞行模拟器运动状态，对飞机过载飞行模拟器及其所选择控制方法进行仿真，通过控制编程对其进行仿真运动研究。飞行模拟器平台上的链接点与滑轮位置安装在坐标轴下。假设飞行模拟器平台质量为1900kg，平台半径为100cm，厚度大约有20cm；在坐标系下的惯性力为AGC=diag(241.25，241.25，480)kg。飞行器模型质心P=(0，0，-10)Tcm。按照牵拉绳的强度，绳索直径选为8mm。仿真计算时采取变步长的三阶-四阶R unge-Kutta 算法，采样时间为0.02s。

综上，在一次飞行跳跃运动过程中，飞行员可以同时经历正、负两种过载状态，而正过载量能够借助调控参数，如瞬移增值、延长时间等，进一步完成更大过载的机动训练，而现在普遍使用的Stewart 飞行模拟器平台至今尚无法完成过载机动。在大过载运动中，本文模拟的平台位置沿正坐标轴方向做瞬移，所以其牵拉绳上拉属动绳，拉力先变小再增大。虽然牵拉绳的最大拉力接近30000N，可按照钢丝绳属性，依然可以满足本文强度要求。

5 结语

本文对飞机过载飞行模拟器运动仿真分析进行分析，根据飞机过载飞行模拟器的运动轨迹，对其运动状态进行仿真设计，实现本文研究。希望本文的研究能够为飞机过载飞行模拟器运动仿真分析方法提供理论依据。