Ch20第六章飞行动力模拟训练系统

机械电子学第六章飞行动力训练地面模拟系统的设计机械工程及其自动化系孔令飞副教授26.5.1转速控制简介本章介绍飞行动力训练地面模拟系统的设计，建立该系统的目的是要在地面上操纵飞机的飞行动力训练系统，模拟飞机在空中飞行时的各种动作。飞机发动机的性能是表征飞机性能的关键。众所周知，飞机的飞行条件是在不断地变化的，这就要求发动机提供的推力也能随之变化，因此，要求飞机动力装置具有对推力的控制和调节功能，以满足飞机的实际需要。发动机转速是表征发动机工作状态的最主要参数。理论和实验表明，飞机发动机的推力与转速的三次方成比例，同时转速又是发动机转动部件强度安全的主要指标。3转速控制系统的任务(1)转速调节：驾驶员给定一个转速后，转速调节器会随飞行条件的变化而自动地改变供油量，始终保持发动机转速恒定。(2)加速控制：发动机由慢车（小转速）到大转速的加速过程受压气机喘振及涡轮前温度限制，加速控制的目的是使供油量随转速按一定规律变化。(3)减速控制：收油门时，减油不能太猛，否则会导致燃烧室贫油而熄火。减速控制是使供油量的减少随转速按一定规律变化。(4)慢车控制：使慢车供油量随飞行高度按一定的规律变化，从而使慢车转速随飞行高度的升高而加大，但又不超过最大转速。(5)工作环境：不同的气候和不同的飞行高度、飞行速度对发动机的工作状态有一定的影响，发动机的转速是由发动机的工作环境和供油量共同决定的。(6)负载干扰：作为飞机发动机的负载，在操作舵机系统时对发动机会产生冲击性的干扰，此时应控制发动机的转速保持稳定。46.5.2初步设计对于飞机动力系统的研究，一般采用两种方法进行地面开车，使飞机发动机处于不同的工作状态，然后检查、调试有关机载系统（看作发动机负载）的性能；使用各自独立的试验台（如油泵试验台、电源试验台等），将机载系统拆下，分别进行检测和调整。存在的主要问题是：经济性差、安全性小、局限性大。前一种方法要消耗大量的燃油和发动机寿命，不安全、风险大，而且只能使发动机处于地面的低速条件下工作，检测的结果不准确，具有很大的局限性；后一种方法由于使用各自独立的试验台，经济性、利用率都不高，而且目前实际使用的各种无级调速（或分级调速）试验台不能满足模拟飞机高速、高空飞行的条件，不能模拟油门或负载变化后发动机转速变化的过程。5模拟系统应具备的功能(1)能在大范围内（10000r/min）快速地实现无级调速；(2)具有足够的功率输出。除能测试多种类型飞机发动机的主泵、加力泵及多种航空发电机之外，还要求有较大的功率储备。(3)能够在解算发动机动力学方程组的基础上，对其转速的动态过程进行实时仿真。(4)能够根据飞行高度、飞行速度等参数的变化，产生相应的电信号，为计算机提供解算发动机动力学方程组所必须的数据，为被测机载系统建立与飞行实际情况相吻合的条件提供必需的物理量。(5)综合化、自动化程度高。能够测试主燃料泵、加力燃料泵、主液压泵、交直流发电机等附件的性能。(6)系统具备相应的安全设备、监视设备和记录设备等。(7)模拟驾驶：在地面建立一个与实际飞行训练近似的模拟操作环境。6系统方案的选择从机械电子工程的观点出发，基于科学性和经济性兼顾的原则，在进行广泛的调查研究之后，初步考虑这一系统设计为半物理模拟（或称仿真）系统，即对飞机发动机主机的工作过程通过计算机解算其动力学方程，进行数学仿真；对发动机输出轴转速及由输出轴带动的机载燃料系统（如燃油系统、液压系统、电源系统）的工作过程，则通过实物进行物理仿真。这样，便可在飞机不升空、不开车的条件下，对燃油系统、液压系统、电源系统等的工作情况进行在线的测量、辨识和调整。这种系统方案的优点在于提高了模拟系统的真实性、直观性、经济性、安全性和通用性。7物理装置的选择在基于半物理仿真系统方案构想的发动机模拟系统中，物理仿真部分构成了转速仿真子系统，整个模拟系统设计的技术难点主要集中在这一部分。过去曾有过采用电机来模拟发动机转速系统的方案。根据某模拟台测试报告，在接通大功率负载时，电机的转速下降大约8%~10%，这与实际情况有很大的差别。而且，随着要求系统输出功率的增大，其自身的惯性也必然加大，其响应速度跟不上系统快速的要求。另一方面，发动机地面模拟系统要求真实复现整个飞机液压系统，模拟系统所有部件的尺寸以及安装位置必须严格等同于实际系统。由于模拟发动机转速的驱动系统功率大，而安装空间的容积有限，因此动力部分的功率密度需要足够大，一般的电机显然不能满足要求。8物理装置的选择液压驱动装置具有功率密度大、动态响应快、控制精度高、抗负载能力强、运动平稳、可靠性高等优点，这些优点是电气和气动装置所不具备的。对小型小功率机种，采用阀控液压马达形式，能获得满意的动态性能。由于泵控液压马达系统的工作效率高达90%，因此，对大功率系统，改用泵控液压马达形式，以保证高效率。9系统结构形式液压泵—马达驱动装置模拟发动机提供输出动力并实现调速功能。10系统结构形式整个飞机动力训练地面模拟系统，是一个非常复杂的机、电、液一体化综合系统。由机载燃油系统、空气系统、发动机动力学方程组、电力系统、液压速度伺服系统、舵机模拟系统、计算机监控系统、滑油系统、消防报警系统及中心控制台组成，分别由物理模拟和数字模拟来实现。机载燃油系统由燃油泵、供油操纵杆和各种飞行仪表组成，提供了一个逼真的飞机驾驶环境；发动机动力学方程组根据燃油的供应量和工作环境，解算出发动机的转速，这部分由微型计算机数字仿真来实现；液压泵－马达系统是发动机转速物理仿真的核心部分，由电力系统提供能量，在地面模拟中它主要带动发动机的各种负载而无须提供推力；计算机监控系统负责发动机的动力学仿真，转速测量与控制等，其他为模拟系统的辅助部分。

11系统各部分功能变量液压泵由电动机带动，其输出流量直接进入液压马达，在系统压力和流量的共同作用下，驱动液压马达旋转，流量越大，马达转速越高。液压泵排量的改变是通过电液伺服阀控制变量机构小油缸活塞位移，从而控制液压泵斜盘倾角实现的。这样，对变量液压泵排量的连续调节便实现了液压马达输出的无级调速的目的。“总、静压模拟系统”是为了对飞机在高空、高速或启动条件下发动机转速的变化情况进行仿真而设置的。“总、静压模拟系统”可以在0～25公里和0～5马赫数范围内提供发动机仿真所需要的总压和静压信号。12系统工作过程按照系统工作的流程，主燃料系统输出的燃料，结合发动机的工作环境，经过发动机动力学方程组的解算，用数字仿真的方法得到转速的计算值，该计算值就是转速物理仿真系统的参考输入。泵－马达液压系统与转速测量部分，以及控制器部分一起组成闭环控制系统，根据一定的控制策略来控制泵—马达系统，使液压马达输出轴的转速快速、高精度地跟随参考输入，并在舵机加载系统施加不同的载荷时尽可能保持转速不变。13微处理机选型由于飞机发动机地面模拟系统的复杂性，系统的信息量大、关系复杂，而且按设计要求，系统要有丰富、良好的用户界面，如数据采集、显示、处理、存储等功能强，人对系统的干预、修改控制策略方便，图形功能丰富等等，这就要求选用较高档次的微处理机。本系统选用COMPAQ-386微型计算机（1990年）为整个系统的监控主机，用于处理信息的软件采用高级语言（PASCAL语言）和汇编语言的混合编程。显然，该系统成为一个嵌入式微处理器（微计算机）系统。14设计要求分解为四个子系统进行设计发动机转速的物理仿真部分设计；发动机转速测量系统设计；发动机控制部分设计；发动机的模拟驾驶部分设计；泵—马达转速控制系统设计的主要性能指标：(1)最大输出功率：不小于65kW（带动液压泵的电动机功率为132kW）(2)转速范围：300～10000r/min，要求在此转速范围内能实现无级调速(3)转速稳态精度（稳定时转速脉动量）：0.1%稳态转速(4)系统调节时间：空载情况下：0.12s（误差带2%）全惯量负载情况下：0.25s（误差带2%）156.5.3具体设计首先对各子系统提出更为具体的要求，并围绕核心子系统进行设计。各子系统的具体要求是发动机转速的物理仿真部分设计：与飞机发动机有相似的动特性转速范围大输出功率高负载刚度高安装尺寸小16各子系统的具体要求发动机转速测量系统设计大范围等精度发动机控制部分设计控制精度高响应速度快发动机的模拟驾驶部分设计飞行速度的操作舵机系统的操作17设计中的问题系统的设计任务主要集中在解决被控对象的测试系统和控制系统设计上。涉及到的子问题有：试验激励信号选择、系统信号采集、信号处理、控制决策（控制算法）、性能评价等。根据飞机飞行的实际状况及上面提出的设计性能指标，对飞机发动机输出转速提出的要求为：能快速、平稳地跟随任意给定的连续输入指令信号而保证飞机有良好的升、降速性能；能在接受阶跃输入（正或负）指令的条件下迅速实现飞机的升或降速的过渡而无超调（冲击、振荡）；有较强的抗干扰能力，如突加负载作用时保证飞机速度的稳定等。18设计中的问题阶跃信号作用下的系统工作状况最为恶劣，也最为典型，在通常的控制系统设计中，试验激励信号往往选取阶跃形式，其典型性的另一表现在于，阶跃信号的频谱很丰富，能对被试系统给予充分的激励。因此，本节仅以选取阶跃信号——包括阶跃输入（用阶跃信号输入伺服阀）和阶跃扰动（对液压马达输出轴施加阶跃负载扰动）——作控制设计激励信号为例，研究泵控马达系统在阶跃激励下的闭环转速控制问题，使闭环控制系统动态过程达到要求的性能指标。19设计方法在计算机软件设计中，自顶向下的设计方法和模块化设计方法是常常为软件设计者所采用的有效方法:自顶向下的程序设计方法是，程序设计时先从系统一级的管理程序或主程序入手，从属的程序或子程序暂用标志代替。在完成系统一级的程序设计并测试合格后，再将标志逐步扩展成从属程序或子程序并进行测试、查错，最后对整个程序进行调试，直至完全通过。该技术是设计测试和连接同时按一个线索进行，不断地吸收新的内容联调，其中的矛盾和问题可较早发现、解决；模块化的程序设计方法是把一个较长的完整程序按功能分成若干个小的程序或模块，分别进行独立设计、编程、调试，最后装配在一起。这种方法的优点是：每一个模块功能单一，编程、调试、修改和更新方便；模块具有通用性，组合能力强，便于总功能扩充。20设计方法基于相似原理及移植技术，上面两种方法的思路完全可以为系统硬件设计所吸取。对于本系统的设计，我们综合运用两者：首先将总系统分解为一些子系统，通过上一节初步设计的分析，现确定为四个子系统。各子系统再分解为功能模块，分别设计软、硬件并调试通过，最后组装联调，实现完整的系统设计任务。将泵—马达转速控制系统的设计划分为三个主要环节（模块）的问题：(1)系统建模与分析——获得先验知识；(2)动态信息获取——转速信号的测试；(3)控制决策——控制器设计。21模块设计——(1)系统建模与分析

转速的物理模拟部分，液压泵—马达转速微机控制系统如图所示。变量泵的流量控制是用伺服阀4、液压缸—位移传感器6组成的小闭环实现的。u为系统的控制输入，经比较器与6反馈信号相减得到误差信号er经伺服放大器5转换成电流信号i输入伺服阀。22液压泵—马达转速系统数学模型式中，n1为液压马达轴转速；Kce为总流量压力系数；Kqp为变量泵的流量增益；Kq

为阀的流量增益；Dm

为液压马达每弧度排量；Ap为活塞有效面积；Xv为伺服阀阀芯位移；Ct为总泄漏系数；V0为泵和马达的一个工作腔、连接管道及与此相连的非工作容积；βe为系统的等效体积模量；ω1h、ωh

分别为泵控液压马达和阀控缸的液压固有频率；ξ1h、ξh

分别为泵控液压马达和阀控缸的阻尼比；TL为作用在马达轴上的任意外负载转矩。23液压泵—马达转速系统的特点系统是一个高阶系统（阶次至少在6阶以上）。由于液压缸、伺服阀和位置传感器组成的变量伺服机构的惯量很小，液压缸—负载的谐振频率高达100Hz以上，ω1h>>ωh，系统的动态特性主要由变量柱塞泵和液压马达决定。液压泵控马达系统具有效率高的优点，常用于大功率场合。但它的响应相对较慢，原因是泵的变量机构负载效应严重。同时，系统又存在死区、饱和、滞环、粘性摩擦等非线性，参数受液压油温、伺服阀工作点影响而具有时变特点。这些特点使得难以采用数学解析式建立系统的精确模型，而只能作一定程度上的简化建模，其非线性、参数时变均有待在控制器设计中予以补偿、协调，以提高控制系统的动态响应性能、稳态精度，增强鲁棒性。24模型的分析和简化为了便于分析和简化模型，根据液压控制系统理论，可得系统的方框图1伺服放大器，2伺服阀，3变量机构液压缸，4变量机构，5泵控马达和外负载转矩，6齿轮机构，7位移传感器，8速度传感器25系统各环节的传递函数①伺服放大器增益：Ka，式中，er为偏差信号，是由输入位置信号与反馈位置信号相减所得的电压信号；I为电流输出信号。显然伺服放大器是一个电压/电流转换环节，起功率放大作用。26系统各环节的传递函数②伺服阀传递函数某型号伺服阀，通过查阅生产厂家提供的产品目录和说明书数据，在系统液压固有频率>50HZ时，其传递函数：当系统液压固有频率<50HZ时，有：系统频率很低时，可令：27系统各环节的传递函数③变量机构液压缸——阀控缸传递函数式中,xp——液压缸活塞杆的输出位移；Ap——活塞有效面积；ωh1——阀控缸的固有频率；ζh1——阀控缸的阻尼比。28系统各环节的传递函数④变量机构的比例系数KФ

活塞杆位移使写盘绕一支点移动一角度，改变了斜盘的倾角，由于角度很小。故简化为设活塞杆位移作用点距斜盘支点的距离为L，则29系统各环节的传递函数⑤泵控马达系统如考虑外负载转矩TL的扰动，可得框图。从框图中，可得泵控马达传递函数为：如果不考虑外负载转矩TL的扰动，即TL为常值时，则传递函数为：30系统的传递函数虽然我们对上述电液伺服系统进行了较为详尽的分析，但是由于液压系统的许多参数是用经验值来确定的，制造中的误差、系统参数的时变特性，加之系统的运行环境、负载变化时的特性等，都会造成系统模型的误差，给控制器的设计带来困难。对于特性未知的、模型难以进行精确数学描述的复杂系统(称为灰箱或黑箱)的认识，通常采取基于试验输入—输出响应方法来获得系统的响应曲线，进而对其动特性进行特性分析，同样，该方法也可以检验我们对系统模型的简化是否合理。31泵—马达系统的开环阶跃响应曲线曲线是由一个大振荡曲线和一些小振荡曲线迭加而成，因而该系统是一个高阶系统，系统时间常数为0.3秒，并具有大约0.06秒的时延。此外，通过频率特性测得系统频宽只有0.714Hz，动态响应慢，与理论分析的结果是比较一致的。32(2)动态信息获取控制系统中，被控对象与控制器的相互联系是靠信息通道建立的。从两者联系的方式上看，从被控对象中提取有用的动态信息(数据采集)送给控制器的通道称为输入通道；而控制器决策后提供给被控对象的控制信号通道称为输出通道。信息的传递形式可以是模拟量、数字量或开关量。由于系统的功率大、转速的变化范围很大（300～10000r/min），而系统的控制精度要求又较高（稳态值的0.1%），必然要求转速的测试精度很高，这用通常的测速方法是难以实现的。33几种常用测速方法的比较①直流测速发电机该方法是通过直流测速发电机将其输入的转速信号转换成直流电压输出。其转速与电压的关系为：U=k×n显然，如果k为常数，则U与n呈线性关系。实际上，仅在一定的转速范围内，U与n为线性关系，超出范围则是非线性的。34直流测速发电机测速造成非线性的因素是多方面的，主要是电枢反应和延迟换向的去磁效应使非线性误差随转速的增大或负载电阻的减小而增大。可见，该方法的使用要满足电机转速不得超过规定的最高转速Nmax，负载电阻不可小于额定值。另外，电机本身物理结构的影响、旋转运动、电磁转换及温度等因素会造成输出电压的波动，降低了测量精度。

型号激磁电流/A电枢电压/V负载电阻/Ω转速r/min输出电压不对称度≤%输出电压线性误差≤%新旧ZCF121AZCF5A0.0950±2.5200030001±1ZCF222S221F0.0974±3.7250035002±335②频/压转换测速（F/V法）在被测轴上安装一个齿轮盘，用磁电式传感器把被测转速信号转换成近似正弦信号，经放大整形处理后成为脉冲信号，送入频/压转换电路处理，可以得到与转速对应的电压。通常，电压信号由模拟量输入通道（A/D）采集入计算机。这样，可测速范围要受A/D位数的限制；另一方面，当输入信号的频率变化较剧烈时，输出的电压波动较大，干扰严重，而加大滤波电路的电容值，又会引起较大的时延。此外，频/压转换电路芯片的主体——电荷泵也有一定的时延，说明此法在测量不同的转速信号时，测量系统具有不同的测量精度，因此也不适宜采用。几种常用测速方法的比较36③等精度测速法在一定的定时时间Ｔ内，同时对两路脉冲进行计数——被测脉冲（频率f）计了m个，标准时钟脉冲（频率f0）计了m0个，由于两者计数时间相等，有关系式：

f＝(m·f0)/m0

因为定时时间很短，这m个被测周期内的频率平均值可近似看作瞬态值。如果标准脉冲的频率f0较高，被测信号的频率f范围就可以很广。为减少测量误差，用被测信号的上升沿同时打开和关闭这两路计数器，这保证了误差个数在定时时间段的一端积累，最多有±1个标准时钟脉冲误差。几种常用测速方法的比较37等精度测速法38等精度测速法用等精度测量原理测量频率的绝对误差为：△f＝mf0［1/m0－1/(m0±1)］相对误差为：

E＝1/(m0±1)可见，相对误差仅决定于标准时钟脉冲个数m0，而与被测信号无关，实现了大范围内具有相等精度的频率测试，而且时钟频率越高，精度越高。通常时钟频率在1MHz以上，这对几千赫至几十千赫的被测频率量来说，精度已足够高了（理论上可达十万分之一）。此外，选择较高的时钟信号，相应地可缩短定时时间，提高对被测量测试的实时性，这有利于完成控制算法。

39一般说来，测量误差是由多种因素带来的，主要包括噪声污染、测量原理及测量装置三个方面。因此若要得到高精度的转速测试的设计就要从这三方面考虑，尽量提高信号质量、完善测试原理及优化测试装置的设计。首先，改善信号质量：实现模拟量到频率量的转化。考虑到数字信号具有较强的抗干扰能力，把磁电式传感器检测的液压马达转速信号经过放大、整形处理成脉冲序列，脉冲数与转速有一定的对应关系，于是对转速的测试转化为对脉冲的计数。这相当于对信号进行了有效的滤波处理，使得信号的抗干扰能力明显增强。高精度的转速测试的设计40其次，完善测试原理：采用等精度测频原理。被测信号经过前述处理后，接下来就是测频计数的过程。通常的测频方法有测频法和测周法：测频法：就是在给定的时间（称为定时时间或测量周期）内累计被测信号的脉冲数。设在一个测量周期T时间内，m为被测频率的脉冲个数，则被测频率为：

f＝m/T

测频法存在的问题是：测量周期T是固定的，这种用固定的时间去卡被测信号，难免会出现±1个被测脉冲数误差。当被测信号频率较低，即被测信号周期不能满足远小于测量周期的条件时，将有较大的测量误差。该法仅适合于高频测试。高精度的转速测试的设计41高精度的转速测试的设计测周法：就是在一个被测频率脉冲时间内，测量所用的时间t。被测频率为：

f＝1/t

通常，测量时间t是对一个标准时钟信号进行计数，这会带来±1个时钟脉冲误差。当被测频率较高或其周期不远远大于标准时钟周期时，误差较大，该法多用对于低频脉冲的测量。测周法带来的另一个问题是：测量周期是随被测频率而变，这对数字控制系统的性能将带来严重的影响。飞机发动机的转速是在大幅度内变化的，显然，单独的测频、测周法不能保证在整个转速范围内均有较高的测试精度。等精度测试法可以得到全范围内的高精度测试42最后，优化测试装置设计：与微机接口，软、硬件兼备。考虑到本模拟系统是一个微机监控系统，各子系统、各模块的设计要尽可能充分地利用计算机的功能优势，测速装置硬件设计为插卡式微机接口电路板，并配备完善的软件，软件设计成模块结构，通用性强、功能丰富。高精度的转速测试的设计43(3)控制策略设计控制器结构液压泵—马达系统不能保证建模的精度，液压系统中有许多经验参数，只能在某范围内取值，而且传动介质(液压油)温度的变化对系统工作有很大的影响，加上非线性因素，造成了系统的复杂性。有鉴于此，考虑到智能控制方法的优点——回避了对系统精确数学模型的依赖性，只需模仿人对系统的定性认识，就能设计出具有智能性的控制器，并能得到控制性能的满意解。

44控制模式的切换基于操作者的经验，实施控制的判据主要是被控制变量的偏差（理想值减去测量值）。控制模式的切换也是依据转速的偏差e=R－Y的大小：当第i时刻偏差|e|>EM（EM为预先设定的偏差上限）时，选择最少拍控制模式；当Em<|e|<EM（Em为预先设定的偏差下限）时，执行模糊控制模式；当|e|<Em时，切换到PID控制模式。45控制模式设计①最少拍控制模式最少拍控制就是要在最少时间内使系统跟踪希望值，并保持稳定。46最少拍控制模式为使系统跟踪尽可能快，最少拍的第一拍常给出一个很大的正值来加快系统响应；而为了保证系统的稳定性，第二拍又给出一负值使系统不产生超调。一般，对二阶以上的系统，还要继续给出正值、负值进行控制，直到系统稳定。由于第一拍的控制量很大，因此最少拍要求控制量不受约束。这是一种用解析方法来设计控制器的手段，对模型精度要求很高。对本系统而言，最少拍控制作为整个控制器的一种模式，可以采用简化模型设计。由于采用简化模型，最少拍控制不能使系统真正做到在“最少拍”内精确地跟随到给定值上，只能是一种加速响应的控制，使转速偏差迅速减小到某极限值（本系统设为EM）内，控制切换到模糊模式。47控制模式设计②模糊控制模式作为智能控制的重要组成部分，模糊控制的突出特点在于：它不再仔细地研究被控系统的数学模型，而更关心控制器本身。模糊控制的实用方法是：基于对经验、试验的离线分析和总结，将工作范围内的模糊规则总结成一张模糊规则表。实施控制时只需查表、按表中所给的控制量输出控制。这减少了控制系统在线计算量，提高了实时性。48控制模式设计③PID控制模式在本系统控制策略的设计中，当转速偏差进入预先设定的下限Em后，即实施常规PID调节，它对系统的作用主要是使系统尽快稳定下来并保证稳态精度（即使在稳态，系统也经常会受到各种随机扰动，PID调节也是必要的），而对动态响应作用很小。从上述的三模式控制方式来看，最少拍控制和模糊控制作用于系统输出转速有大偏离和较大偏离情况下，这时系统的非线性影响较严重，这两种控制模式可使问题得到简化、优化。