飞行模拟器操纵负荷系统的无源性设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252011V01．32No．122303．2309ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)12—2303—07飞行模拟器操纵负荷系统的无源性设计刘彦文1’*，王广雄2，李佳11．哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨1500012．哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001摘要：操

2、纵负荷系统是飞行员与飞行模拟器之间的接口装置。提出了这种人在回路的实时控制系统的一种新的设计思想，这种设计将无源性与阻抗的概念结合，并将系统阻抗的频率特性作为定量设计的手段。基于频率分析，控制器设计中应增加一个阻尼项。使传递到操作员手上的阻抗与飞行环境的阻抗相匹配。并指出，系统中的力伺服系统的阻尼比应在0．5～o．8范围内以满足这个虚拟环境的无源性要求。操纵负荷系统的无源性可保证整个仿真系统的稳定性。所提出的设计思想还可推广应用于其他各种虚拟环境的设计。关键词：飞行模拟器；操纵负荷系统；实时控制；

3、虚拟环境；无源性；阻抗匹配中图分类号：V249．4文献标识码：A操纵负荷系统是指用驾驶杆产生舵偏角和相应负载力的模拟装置【1]，是飞行模拟器的重要组成部分，也是飞行员和飞行模拟器之间的接口系统。操纵负荷系统的主要任务是仿真驾驶杆(或脚蹬)上的负载力及其变化特性。可是现有的设计都是将操纵负荷系统看成是一种独立的力控制系统Lz‘4]，这种独立出来的设计只关心力控制系统本身的设计问题，例如系统中扰动力矩的抑制等，不可能反映负载力真实的力环境。因为，飞行员通过驾驶杆和脚蹬(以下统称驾驶杆)操纵舵面时感受到

4、的负载力是由当时的飞行条件决定的，驾驶杆的移动与负载力之间是一种单方向的关系，即驾驶杆的移动决定了负载力的大小，并不存在相反方向的影响。但是在飞行模拟器中这个负载力关系(环境模型)是力反馈回路中的一个环节，飞行模拟器驾驶杆的位移还要受到所产生的力的反(反馈)作用。另外，这种独立出来的设计，忽略了人在操纵时与这个系统的互动作用，忽略了人对这个虚拟环境的设计要求。所以操纵负荷系统不应该只看成是一个孤立的力控制系统。这种人在回路的实时控制系统的设计问题包含两方面的内容，即人对虚拟环境的感受和系统的稳定性

5、问题。而人对环境的感受可用阻抗来表示。对飞行模拟器操纵负荷系统来说，现有的文献尚无从阻抗和无源性的角度讨论设计的fz-T3。这2个概念一般只在相近的领域，即遥操作机械手的设计问题中有讨论。那里应用了一种透明性(Transparency)的概念，即要求传递到操作者手上的阻抗等于实际环境的阻抗[8。0

6、。不过在有关文献中，无源性与阻抗都是分开讨论的口1。引，而且大多都是概念性的定性讨论，并只提供仿真结果。收稿日期：2011-03-26；退修日期：2011-04-16；录用日期：2011-05—20：网

7、络出版时间：2011—05—2617：57网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20110526．1757．023．htmIDoI：CNKI：11．1929／V．20110526．1757．023基金项目：国家自然科学基金(61073181)；黑龙江省博士后科研启动金(LBH．Q09126)}中央高校基本科研业务费专项资金(HEUCFl10412)*通讯作者Tel．：0451-82519404E—mail：zhwlyw@163．conl耐用接式I虫j彦

8、文，王广雄，李佳．飞行模拟器操纵负荷系统的无源性设计eJ]．航空学报．2011．32(12)：2303-2309．LluYanwen，WangGuangxiong·LiJia．PassivitydesignforthecontrolloadingsystemofaflightsimulatorL∞．ActaAeronauticaetAstronauti-caSinica，20¨。32(12)：2303—2309．航空学报Dec．252011VoI．32No12本文的工作是将阻抗的概念与无源性结合起

9、来，并将其引入飞行模拟器设计中，为操纵负荷系统提供一种新的设计思路，同时将频率响应作为定量分析的手段，使之用于具体的设计。1操纵负荷系统操纵负荷系统由上位机、下位机(高速微处理器)、电机和传动机构等组成，其结构如图1所示。飞行员操纵驾驶杆的力为^，传感器将杆的位移和速度信号送入计算机中，并根据当前的飞行状态参数和状态指令计算出当前的模型力L，再通过由电机组成的力伺服系统输出力L。，以平衡驾驶杆上的力。图1中PWM表示脉宽调制。图2所示为系统的传递函数关系。图中：．，为驾驶杆机械系统