某型全動模擬機起落架仿真控制電路改進實現(xiàn)方案

劉磊 凌廣藝

摘要：介紹了某型全動模擬機起落架仿真系統(tǒng)的組成及工作原理，通過對其控制電路的研究，分析有關(guān)訓練科目的實現(xiàn)過程，為相關(guān)的維護和研發(fā)工作提供較為高效的解決思路，提高飛行員的訓練體驗。在保障飛行訓練質(zhì)量的同時，結(jié)合多起相關(guān)控制電路故障排除經(jīng)驗，通過仿真研究、試驗測試，提出優(yōu)化改進其控制電路的方案。實施改進方案可為今后解決這一類技術(shù)難題提供技術(shù)參考，也為相關(guān)研發(fā)工作提供思路。

關(guān)鍵詞：模擬機；起落架；控制電路；訓練科目；仿真；技術(shù)參考

Keywords：simulator；landing gear；control circuit；training subjects；simulation；technical reference

0 引言

起落架是飛機起飛、著陸、滑跑、地面移動和停放所必需的支持系統(tǒng)，承擔著飛機安全運行的重要使命，熟練掌握起落架的運行原理，對飛行員而言是一項必備技能。作為飛行訓練模擬設(shè)備，波音系列機型全動模擬機應(yīng)用廣泛，通過研究某型全動模擬機起落架仿真系統(tǒng)的組成和工作原理知識，提供有效的解決故障的思路，可以極大地提高模擬機的維護效率；在滿足模擬機起落架相關(guān)訓練科目需求的同時，也可以根據(jù)訓練需求，在后期進一步開拓相關(guān)科目的飛行訓練，為安全飛行提供有力的后勤保障。

然而，在長期的使用中，由于頻繁的設(shè)置或取消模擬機起落架卡阻故障，使得電機的工作電壓頻繁變化，導(dǎo)致起落架控制電路中的電阻電機燒毀率大大增加，電路的不穩(wěn)定不僅使訓練設(shè)備的可靠性降低，對飛行員的仿真訓練科目質(zhì)量也造成極大影響，還產(chǎn)生了大量的人力物力維護成本。通過簡化起落架仿真系統(tǒng)的控制電路，結(jié)合有關(guān)的電路控制知識和以往的工作經(jīng)驗，利用Multisim仿真軟件模擬控制電路中串聯(lián)不同電阻的條件，記錄電機的工作電壓電流的變化情況并進行對比，可為提出起落架仿真系統(tǒng)控制電路的優(yōu)化改進方案提供有效的理論支持基礎(chǔ)，對降低設(shè)備維護需求，提高訓練設(shè)備的可靠性，提升飛行員的模擬訓練體驗具有重要的意義。

1 起落架仿真系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)硬件組成

波音系列模擬機起落架主要由駕駛艙執(zhí)行機構(gòu)、模擬機正下方（900區(qū)域）的LOAD UNIT FRICTION LINEAR/JAM及應(yīng)急起落架系統(tǒng)組成（見圖1）。駕駛艙執(zhí)行機構(gòu)由起落架指示燈面板、起落架手柄、微動電門、LEVER LOCK SOLENOID組件、鋼索機構(gòu)組成，如圖2所示。其中，LEVER LOCK SOLENOID組件由一個活動擋塊以及一個28V線圈組成；LOAD UNIT FRICTION LINEAR/ JAM組件由Friction clamp（摩擦力夾子）、Jamming clamp（卡阻夾子）、Potentiometer（位置傳感器）、Spring capsule（彈簧膠囊）、SWITCH S1&S2（微動開關(guān)）、LINEAR ACTUATOR（線性作動筒）、Motor（直流電機）、Relay module（繼電器模塊，內(nèi)置有電容）、R2保護電阻等組成。模擬機900區(qū)域LOAD UNIT FRICTION LINEAR/ JAM組件中的位置傳感器內(nèi)部含有起落架UP、DOWN和OFF三個擋位的微動開關(guān)，以保證起落架信號的正常輸出，如圖3所示。

1.2 工作原理

波音機型起落架有三個擋位，分別為UP、DOWN和OFF位。

在起落架正常使用的情況下，LOAD UNIT FRICTION LINEAR/JAM組件的S2微動開關(guān)一直處于激活狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，起落架的控制實現(xiàn)主要由駕駛艙的執(zhí)行機構(gòu)完成。通過撥動起落架手柄，觸發(fā)駕駛艙執(zhí)行機構(gòu)的微動電門（UP/ DOWN）輸出起落架的其中一組控制信號；撥動手柄的同時，通過傳動鋼索牽引觸發(fā)模擬機900區(qū)域LOAD UNIT FRICTION LINEAR/ JAM組件內(nèi)的位置傳感器，輸出另一組相同的起落架控制信號。兩組信號一同傳到后臺主機，再由后臺主機將面板指示燈信號、DU起落架狀態(tài)信息等傳回駕駛艙，完成起落架的控制。

此外，當飛機在地面時，由于駕駛艙執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)的線圈將擋塊激活，正常情況下，此時的起落架手柄只能放到OFF位（收起落架艙門位），起落架無法收到UP位，但是通過起落架手柄上紅色的超控拉鉤，可以實現(xiàn)起落架手柄的收起。圖4為起落架仿真系統(tǒng)控制原理的工作框圖。

2 起落架卡阻科目仿真實現(xiàn)分析

2.1 起落架卡阻科目的仿真實現(xiàn)

在飛行員的起落架卡阻仿真訓練科目中，以“Gear level fail in position”為例進行說明。

當進行起落架卡阻仿真時，主機通過GPIM板卡的一個輸出端口發(fā)送28V電壓控制信號，LOAD UNIT FRICTION LINEAR/JAM組件的直流電機工作，使線性作動筒釋放微動開關(guān)S2向下移動，到達微動開關(guān)S1后，彈簧膠囊?guī)渔i定插銷，卡阻夾子釋放100lbs的力鎖定位置傳感器從而鎖定鋼索，使起落架手柄實現(xiàn)在任意位置的卡阻。

當需要取消卡阻仿真故障時，主機通過GPIM板卡的另一個輸出端口發(fā)送電壓控制信號到繼電器L1，繼電器改變內(nèi)部開關(guān)狀態(tài)使電機反向轉(zhuǎn)動，釋放S1開關(guān)從而釋放彈簧膠囊，卡阻夾子的力即取消，線性作動向上移動直到激活S2微動開關(guān)，電機停轉(zhuǎn)。

2.2 控制電路分析及故障處理思路

圖5所示為起落架LOAD UNIT FRICTION LINEAR/JAM組件的控制電路簡圖。通過GPIM板卡輸入控制電機工作的電壓信號，電阻R2=2.74Ω，在電路中起限流降壓的保護作用。實際的控制電路中使用的是額定電壓電流分別為24.0～28.0V、6.0～8.0A的直流電機。

結(jié)合前文介紹仿真卡阻的實現(xiàn)原理，當設(shè)置“Gear level fail in position”訓練仿真科目后出現(xiàn)起落架仍能正常收放的故障時，可以從無法實現(xiàn)卡阻夾子固定位置傳感器的作用筒導(dǎo)致起落架手柄仍可操作方面入手。列出以下較為有效的排故思路。

1）在S2處測量GPIM卡輸出端28V電壓在設(shè)置卡阻故障時是否能正常工作，判斷主機到GPIM卡的控制信號是否正常，如無電壓則進行上級線路排故。

2）如上一步驟1測試正常，則可通過測量電機兩端的電壓是否正常來判斷繼電器、R1電阻及微動開關(guān)部分電路是否正常，再通過測量電機內(nèi)阻或更換電機來確認電機是否正常。圖6為控制電路中使用的2.74OHMS電阻R2的實物圖。

3 控制電路的優(yōu)化改進

全動模擬機在長期的使用過程中，由于頻繁設(shè)置或取消起落架卡阻故障，使得電機的工作電壓頻繁變化，大大縮短了控制電路的工作壽命。有記錄以來，相關(guān)的電阻電機燒毀導(dǎo)致訓練仿真科目無法實現(xiàn)的故障多達十數(shù)起，這不僅對飛行訓練科目的質(zhì)量造成極大影響，而且產(chǎn)生了大量的人力物力維護成本。因此，研究控制電路并提出對控制電路的改進方案意義重大。

3.1 Multisim仿真試驗研究

通過對原始控制電路（見圖5）的研究分析可知，24～28V額定電壓、6.0～8.0A額定電流的電機工作電路中，S1、S2限位開關(guān)主要負責供電電源的通斷，由繼電器L1控制電機電流的正反向，使得電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)故障的復(fù)位。由此簡化控制電路得到相同電路特性的電路圖，如圖7所示。圖中電源由一個振幅為14V的PWM波（頻率50Hz、占空比50%）模擬電源電流的正反向輸入，實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)的模擬。其中，通道A監(jiān)控電機實時電壓值，通道B監(jiān)控電壓實時電壓值。電機使用Multisim軟件自帶的電機模型。

當電阻為原始電路電阻2.74Ω時得到的仿真波形圖如圖8所示，在換向瞬間，電機承受的瞬時電壓增大到38.9V，此時電機的工作電壓為11.8V，突變電壓差V1=27.1V，比值系數(shù)為27.1/11.8=2.3。

降低電阻R1= 1.5Ω時得到的仿真波形圖如圖9所示，在換向瞬間，電機承受的瞬時電壓增大到37.0V，此時電機的工作電壓為16.0V，突變電壓差V1=21.0V，比值系數(shù)為21.0/16.0=1.3。

降低電阻R1=0.5Ω時得到的仿真波形圖如圖10所示，在換向瞬間，電機承受的瞬時電壓增大到32.6V，此時電機的工作電壓為22.5V，突變電壓差V1=10.2V，比值系數(shù)為10.2/22.5=0.45。

降低電阻R1=0Ω時得到的仿真波形圖如圖11所示，在換向瞬間，電機不再承受瞬時突變電壓，此時電機的工作電壓為28.0V，突變電壓差V1=0V，比值系數(shù)為0，電機工作在理想狀態(tài)下。

電機工作在額定電流電壓下，控制電路中R1的電阻值越小，電機承受的突變電壓系數(shù)比值也越小，電機工作越穩(wěn)定，使用壽命越長。由此，可以初步提出通過降低控制電路中R1的電阻值來穩(wěn)定控制電路的基本方案。

3.2 方案分析

多次試驗測試發(fā)現(xiàn)，當實際的控制電路R1=0Ω時，24～28V額定電壓電機極易燒毀。測量發(fā)現(xiàn)多為電路電流過大所致，因而控制電路中將R1設(shè)置為0Ω僅能在理想情況下實現(xiàn)。同時，為保證電機能夠在正常的電流電壓環(huán)境下工作，電阻R1的值不應(yīng)大于2.74Ω（見圖12）。經(jīng)過對不同R1值時的仿真試驗及實際電路的安裝測試，發(fā)現(xiàn)在R1=1.5Ω時電機工作在額定電流及額定電壓內(nèi)，電機工作穩(wěn)定且起落架機構(gòu)工作正常（見圖13）。

將R1的電阻值改為1.5Ω后，長達半年的監(jiān)控數(shù)據(jù)表明起落架控制電路的電機再未出現(xiàn)燒毀情況，且電阻也未被燒毀。推廣到所有含有相關(guān)起落架控制電路的全動模擬機上后，統(tǒng)計已有的故障記錄，五年來未發(fā)生過一起相關(guān)的控制電路故障，極大地提高了電路工作的可靠性。

4 結(jié)束語

通過對某型全動模擬機起落架系統(tǒng)的介紹及相關(guān)訓練故障的仿真實現(xiàn)分析，在保障設(shè)備穩(wěn)定的情況下對其控制電路進行改進優(yōu)化，可以有效降低因設(shè)備故障造成的訓練時間損失，提高設(shè)備穩(wěn)定性，降低維護成本。目前國內(nèi)模擬機制造業(yè)處于起步階段，對于飛行訓練科目類仿真技術(shù)需求很高，本文提出的優(yōu)化方案可作為國內(nèi)模擬機制造及研發(fā)的重要參考。

參考文獻

[1]謝東，李容.基于Multisim的PWM直流電機調(diào)速控制電路設(shè)計與仿真[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2013，15（3）.