基于某型號(hào)飛控半實(shí)物仿真試驗(yàn)變加載模擬技術(shù)的研究

董文彬 張宏偉 吳 驍 周 展

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

在航天型號(hào)的仿真試驗(yàn)中，由于舵機(jī)系統(tǒng)特性隨負(fù)載力矩變化，很難對(duì)其建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此在仿真試驗(yàn)中必須采用真實(shí)的舵機(jī)系統(tǒng)。而在地面半實(shí)物仿真試驗(yàn)中，大多數(shù)試驗(yàn)室沒有風(fēng)洞，無法模擬由于風(fēng)力變化引起的作用在舵面上的舵機(jī)系統(tǒng)負(fù)載力矩變化，因此在傳統(tǒng)試驗(yàn)中，使用鋼板加載的方式對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行力矩加載。傳統(tǒng)的鋼板加載為線性加載，梯度恒定，加載力矩和鋼板的扭轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系。而真實(shí)的舵軸受力情況和舵軸的扭轉(zhuǎn)角度并不是嚴(yán)格呈線性正比關(guān)系的，為了更加真實(shí)地模擬舵機(jī)系統(tǒng)在真實(shí)飛行時(shí)的受載情況，需要通過變加載模擬系統(tǒng)完成[1]。

變加載系統(tǒng)是以力(矩)為被調(diào)整量的電液伺服系統(tǒng)[2-4]，根據(jù)承載對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律又可分為以下2類：主動(dòng)式加載系統(tǒng)，承載對(duì)象不主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)是因?yàn)榧虞d系統(tǒng)的加載力(矩)引起的，這種加載試驗(yàn)對(duì)于加載系統(tǒng)來說又稱為靜態(tài)加載；被動(dòng)式加載伺服系統(tǒng)，承載對(duì)象主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，加載系統(tǒng)在跟隨其運(yùn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行加載，這種加載又稱為動(dòng)態(tài)加載。本文的變加載系統(tǒng)是一個(gè)典型的被動(dòng)式電液力(矩)伺服加載系統(tǒng)，舵機(jī)和負(fù)載模擬器是相互作用相互影響的[5]，系統(tǒng)組成如圖1所示。左邊是承載對(duì)象，右邊是加載系統(tǒng)。

圖1 變加載仿真系統(tǒng)示意圖

1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

本文研究的變負(fù)載模擬系統(tǒng)是基于某飛行型號(hào)來設(shè)計(jì)的，仿真試驗(yàn)原理框圖見圖2。

在加上變負(fù)載之后的閉環(huán)試驗(yàn)中，地面仿真計(jì)算機(jī)通過A/D接口板采樣舵機(jī)輸出的擺角信號(hào)，進(jìn)行控制力、氣動(dòng)力和箭體運(yùn)動(dòng)方程等模型計(jì)算。計(jì)算完成后將模型輸出的視速度增量和角度增量信號(hào)送給慣組模擬器，慣組模擬器通過并口上傳給控制組合?？刂平M合獲得飛行器當(dāng)前的角度、視速度數(shù)據(jù)后，由飛行軟件進(jìn)行姿態(tài)、彈道參數(shù)迭代計(jì)算，導(dǎo)引計(jì)算和控制信號(hào)解算，形成舵機(jī)的動(dòng)作指令，舵機(jī)指令下傳給舵機(jī)控制器，舵機(jī)控制器根據(jù)指令利用功放驅(qū)動(dòng)電動(dòng)舵機(jī)帶動(dòng)變負(fù)載裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬飛行狀態(tài)的擺角輸出。同時(shí)，地面仿真機(jī)將計(jì)算好的負(fù)載力矩指令傳給變負(fù)載模擬器對(duì)舵機(jī)進(jìn)行加載，電動(dòng)舵機(jī)再通過固連在輸出軸上的角電位器反饋輸出擺角電壓信號(hào)，送給地面仿真計(jì)算機(jī)內(nèi)的A/D采樣板，完成系統(tǒng)的閉環(huán)仿真。試驗(yàn)系統(tǒng)的照片如圖3所示。

圖2 使用了變負(fù)載模擬器的半實(shí)物仿真試驗(yàn)原理圖

圖3 基于某飛行型號(hào)的變加載模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

2 加載試驗(yàn)分析

下面通過2種試驗(yàn)對(duì)變加載系統(tǒng)進(jìn)行研究。

(1)梯度試驗(yàn)

傳統(tǒng)試驗(yàn)中，模擬力矩使用的是負(fù)載鋼板，加載為線性正梯度力矩，力矩作用為單一的阻礙舵面轉(zhuǎn)動(dòng)，梯度唯一且不能夠?qū)崿F(xiàn)反向加載。在本文中，先將負(fù)載模擬器當(dāng)做負(fù)載鋼板使用，使其加載線性力矩。試驗(yàn)中計(jì)算機(jī)經(jīng)角位移傳感器采集角位移信號(hào)，進(jìn)而根據(jù)設(shè)定好的梯度值計(jì)算出加載指令，計(jì)算時(shí)使加載梯度分別為0(不加載，加載軸隨著舵軸轉(zhuǎn)動(dòng))，1，2，-1(反向加載，作用為幫助加載軸轉(zhuǎn)動(dòng))，-2。通過運(yùn)行同一條真實(shí)彈道，研究加載模擬器代替可變梯度鋼板的力矩加載追蹤效果。

從圖4～8中可以看到，在運(yùn)行真實(shí)彈道、不同加載梯度的試驗(yàn)環(huán)境下，負(fù)載模擬器都可以較為準(zhǔn)確的模擬出所需加載力矩，以代替不同加載梯度的鋼板作用。由此可見，負(fù)載模擬器可以實(shí)現(xiàn)不同線性梯度加載的功能。

圖4 梯度為0時(shí)加載效果

圖5 梯度為1時(shí)加載效果

圖6 梯度為2時(shí)加載效果

圖7 梯度為-1時(shí)加載效果

圖8 梯度為-2時(shí)加載效果

(2)實(shí)時(shí)加載試驗(yàn)

此試驗(yàn)中仿真機(jī)通過解算出的姿態(tài)角，根據(jù)受力力矩公式計(jì)算出加載力矩，在給慣組模擬器發(fā)送指令的同時(shí)將力指令傳送給變加載系統(tǒng)，由變加載系統(tǒng)對(duì)舵軸進(jìn)行實(shí)時(shí)加載，加載曲線見圖9。

圖9 實(shí)時(shí)加載試驗(yàn)時(shí)加載效果

可見負(fù)載模擬器在實(shí)時(shí)加載中可以很好的復(fù)現(xiàn)實(shí)時(shí)力指令。

3 加載影響分析

將傳統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)采用鋼板加載時(shí)的曲線和同彈道采用實(shí)時(shí)加載時(shí)的曲線進(jìn)行對(duì)比，將它們的同一舵機(jī)的線位移傳感器采樣放在一起分析實(shí)時(shí)加載相比傳統(tǒng)鋼板加載對(duì)舵機(jī)線位移的影響(線位移傳感器裝在舵機(jī)內(nèi))，見圖10。

圖10 真實(shí)加載時(shí)和鋼板加載時(shí)線位移比較

由圖10可見，采用實(shí)時(shí)加載時(shí)舵機(jī)系統(tǒng)的線位移曲線和采用鋼板時(shí)線位移的曲線重合度較好，可以說明負(fù)載模擬器在做真實(shí)加載時(shí)相比鋼板加載對(duì)舵機(jī)線位移的影響不大，負(fù)載模擬器的可變加載在半實(shí)物仿真試驗(yàn)中應(yīng)用是可行的。

將鋼板加載時(shí)的線位移，梯度0加載(空載)時(shí)的角位移，梯度1和2加載時(shí)的角位移進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。

圖11 不同加載梯度對(duì)舵機(jī)角位移影響

由圖11可見，在空載時(shí)，角位移和鋼板加載時(shí)的線位移變化不大。在進(jìn)行加載之后，角位移的幅值有明顯的降低，而對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響不大。由于角位移傳感器通過機(jī)械連接裝置安裝在舵軸的外方，正加載力矩的作用效果為阻止舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以推斷出由于加載力的阻礙影響引起了連接裝置的形變，使得角位移傳感器輸出相比線位移傳感器輸出被“吃”掉了一個(gè)角度，且隨著加載力矩的增大，引起的形變也更大。

將鋼板加載時(shí)的線位移，梯度0加載(空載)時(shí)的角位移，梯度-1，-2加載時(shí)的角位移進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。

由圖12可見，負(fù)加載梯度加載時(shí)，角位移的變化沒有正加載梯度變化時(shí)明顯，因?yàn)樨?fù)梯度加載力矩的作用是助推舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得連接裝置的變形并沒有正加載時(shí)的變形大，從而使得角位移變化相對(duì)較小。

圖12 負(fù)加載梯度對(duì)角位移影響

4 結(jié)論

本文采用某型號(hào)的實(shí)物系統(tǒng)，用不同的加載形式、模擬真實(shí)飛行彈道進(jìn)行了試驗(yàn)。針對(duì)負(fù)載模擬器的加載情況和舵機(jī)的線位移、角位移輸出比對(duì)進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1)對(duì)于采用扭轉(zhuǎn)形式的舵機(jī)系統(tǒng)來說，采用變負(fù)載模擬器可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼板加載，且加載梯度可變，這對(duì)于摸索不同加載極限條件下的舵機(jī)性能指標(biāo)是有幫助的，且具有對(duì)扭轉(zhuǎn)形式舵機(jī)加載通用化的應(yīng)用潛力。變負(fù)載模擬器可以很好地跟蹤仿真機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算出的力指令，真正實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)鋼板加載不能做到的非線性可變加載。

2)實(shí)時(shí)變加載時(shí)舵機(jī)的線位移輸出相比傳統(tǒng)鋼板加載的線位移輸出變化不大，此線位移在并入仿真回路后，系統(tǒng)控制仿真結(jié)果和在傳統(tǒng)鋼板加載下的仿真結(jié)果基本一致。可知在使用實(shí)時(shí)變加載時(shí)，舵機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)并無發(fā)散，能夠正常運(yùn)行，因此變負(fù)載模擬器的實(shí)時(shí)可變加載在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是可行的。

3)在對(duì)不同加載情況下，將舵機(jī)線位移輸出和角位移輸出對(duì)比后可知，由于角位移裝在舵機(jī)轉(zhuǎn)軸外端，連接裝置的變形導(dǎo)致在有正向加載力矩時(shí)角位移輸出幅值下降明顯。而在進(jìn)行反向力矩加載時(shí)舵機(jī)角位移幅值變化較小。由于在飛行中舵面的角度變化也是在舵軸輸出軸外端，角位移(包含形變)可以反映更加真實(shí)的飛行情況，此研究給測(cè)量飛控系統(tǒng)外端舵面的真實(shí)角位移情況提供了一種試驗(yàn)手段，對(duì)其進(jìn)一步的研究具有參考意義。

[1] 汪首坤,等.導(dǎo)彈舵機(jī)動(dòng)態(tài)加載技術(shù)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,3:44-45.

[2] 華清,等.電液負(fù)載模擬器的精確數(shù)學(xué)模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002,38(11):31-35.

[3] 張曉旭.電液負(fù)載仿真臺(tái)數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)特性的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[4] 劉長(zhǎng)年．液壓伺服系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論[M]．冶金工業(yè)出版社,1989,8.

[5] 焦宗夏,等.電液負(fù)載模擬器的復(fù)合控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002,12:78-80.