一种飞机主动侧杆系统的高精度杆力控制方法与流程

文档序号:15645375发布日期:2018-10-12 22:31阅读:484来源:国知局

本发明涉及飞机控制系统,尤其涉及一种适用于民用客机以及军用飞机主动侧杆的主动模式控制方法,涉及高精度杆力控制,属于力反馈控制领域。



背景技术:

主动侧杆相比被动侧杆,其具有降低全寿命成本、提供安全性力反馈、功能可编程升级、不影响观察座舱显示器等优点;并且,其相比传统中置杆降低了机械复杂度以及系统重量。这种主动侧杆属于力量-位移型侧杆,与飞行控制系统构成了闭环回路,其可与飞控计算机进行实时通信。采用该主动侧杆后,当飞机处于手动飞行状态时,飞行员可通过手柄力准确地判断出其飞行状态;当飞机处于自动驾驶飞行状态时,侧杆跟随飞控指令的运动可给飞行员一个关于飞行状态的视觉提示;因此,主动侧杆可以提高飞机的操纵特性和飞行品质,主动侧杆技术已成为全世界范围内的研究热点。若飞机主动侧杆的杆力能实时反应飞机的飞行状态,那么飞机处于主动模式时,飞行员操纵侧杆在不同的角度和速度时,侧杆有相应大小的反馈力。而以往发明或论文中要么只对主动侧杆的静止状态下的杆力进行控制,而没有分析主动侧杆在运动时的杆力控制方法;要么使用同样的控制结构,没有能区分主动侧杆的运动状态。若主动侧杆处于加速或减速状态时,杆力传感器往往存在较大的测量误差,本发明不仅可以提高主动侧杆静态和动态时的杆力控制精度,而且可以提高主动侧杆系统的可靠性。



技术实现要素:

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷,提供一种飞机主动侧杆高精度杆力控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:

一种飞机主动侧杆系统的高精度杆力控制方法,所述飞机主动侧杆系统包含监控模块和侧杆模块;

所述监控模块用于发送指令给所述侧杆模块,并控制存储和显示侧杆模块的实时状态信息;

所述侧杆模块包含主动侧杆、第一微控制单元和第二微控制单元;

所述主动侧杆包含主动侧杆手柄、杆力传感器、主动侧杆杆体、第一轴、第二轴、第一轴承和第二轴承;

所述第一轴、第二轴采用内外框的形式,第一轴为内框轴,第二轴为外框轴,第一轴能够在第二轴的上下滑槽滑动;

所述第一轴的一端与孔输出直角换向减速器的输出孔通过键连接,所述第一轴的另一端与第一轴承承载;所述第二轴的一端与轴输出直角换向减速器的输出轴通过键连接,所述第二轴的另一端与第二轴承承载;

所述主动侧杆杆体的下端与第一轴固连,上端与杆力传感器的底部固连,杆力传感器的顶部与主动侧杆手柄固连;

所述杆力传感器采用二维电阻应变片式杆力传感器,分别对应第一轴上的力和第二轴上的力;

所述手柄上设有用于切换侧杆模块的工作模式的切换开关,所述工作模式包含主动模式、随动模式、配平模式以及被动模式;

所述第一微控制单元包含第一旋转变压器、第一直角换向减速器、第一力矩电机、第一微控制器、第一pwm电机驱动模块、第一手柄力调制信号电路、第一旋转变压器信号调制电路;

所述第一旋转变压器的转子与第一力矩电机转轴连接,定子与第一力矩电机的外壳连接,输出端与第一旋转变压器信号调制电路输入端相连,用于测量第一力矩电机输出轴的转角,并将其传递给所述第一微控制器;

所述第一直角换向减速器通过法兰盘固定在主动侧杆机箱上,输出孔与第一轴的一端连接,输入孔与第一力矩电机输出轴的一端连接;

所述第一手柄力调制信号电路的输入端与杆力传感器电路电气相连;

所述第一pwm电机驱动模块输出端与所述第一力矩电机电气相连;

所述第一微控制器分别和第一手柄力调制信号电路的输出端、第一pwm电机驱动模块的输入端、第一旋转变压器信号调制电路的输出端、杆力传感器、以及监控模块电气相连,用于根据获得的杆力传感器在第一轴上的杆力输出信号、第一旋转变压器信号调制电路的转角信号输出pwm波到第一pwm电机驱动模块,控制第一力矩电机的运行,同时通过自身所带的串口功能与监控模块进行串口通信,向监控模块传送侧杆模块的状态信息;

所述第二微控制单元包含第二旋转变压器、第二直角换向减速器、第二力矩电机、第二微控制器、第二pwm电机驱动模块、第二手柄力调制信号电路、第二旋转变压器信号调制电路;

所述第二旋转变压器的转子与第二力矩电机转轴连接,定子与第二力矩电机的外壳连接,输出端与第二旋转变压器信号调制电路输入端相连,用于测量第二力矩电机输出轴的转角,并将其传递给所述第二微控制器;

所述第二直角换向减速器通过法兰盘固定在主动侧杆机箱上,输出轴与第二轴的一端连接,输入孔与第二力矩电机输出轴的一端连接;

所述第二手柄力调制信号电路的输入端与杆力传感器电路电气相连;

所述第二pwm电机驱动模块输出端与所述第二力矩电机电气相连;

所述第二微控制器分别和第二手柄力调制信号电路的输出端、第二pwm电机驱动模块的输入端、第二旋转变压器信号调制电路的输出端、杆力传感器、以及监控模块电气相连,用于根据获得的杆力传感器在第二轴上的杆力输出信号、第二旋转变压器信号调制电路的转角信号输出pwm波到第二pwm电机驱动模块,控制第二力矩电机的运行,同时通过自身所带的串口功能与监控模块进行串口通信,向监控模块传送侧杆模块的状态信息;

所述高精度杆力控制方法中第一轴的具体控制步骤如下:

步骤a.1),建立飞机主动侧杆系统第一轴的杆力阻抗模型:

式中:f为主动侧杆第一轴的期望杆力;x为主动侧杆转角;为主动侧杆转速;nr为飞机法向过载;为飞机俯仰角加速度;b为主动侧杆的阻尼系数;k为主动侧杆的刚度系数;为飞机法向过载对主动侧杆杆力的反馈系数;为飞机俯仰角加速度对主动侧杆杆力的反馈系数;f0为主动侧杆的静摩擦力;ft为主动侧杆的配平杆力;fs为主动侧杆的启动杆力;fm为主动侧杆的制动杆力;

步骤a.2),将主动侧杆转角和转速信息作为第一轴的杆力阻抗模型的输入信号,根据杆力阻抗模型计算出第一轴的期望杆力;

步骤a.3),通过反馈杆力的方式获得实际杆力:

假设飞机主动侧杆系统的控制周期为tc,

主动侧杆在稳态下,即当前控制周期主动侧杆转速与上个控制周期主动侧杆转速之差小于等于预设的转速阈值时,采用高精度杆力传感器测量实际杆力,进行杆力闭环反馈;

主动侧杆在动态下,即当前控制周期主动侧杆转速与上个控制周期主动侧杆转速之差大于预设的转速阈值时,采用基于电流和摩擦模型的杆力观测器测量实际杆力,进行杆力闭环反馈;

步骤a.4),将期望杆力与实际杆力的偏差送入力控制环,经力控制环调节,输出期望电流;

所述力控制环的调节器采用专家pid方法加前馈补偿的控制方法:通过前馈补偿用于实现杆力控制的粗调,通过专家pid方法用于实现杆力控制的细调;

步骤a.5),将力控制环输出的期望电流作为电流环的期望输入,经电流环调节,输出第一力矩电机控制pwm占空比;

第一微控制器将第一力矩电机控制pwm波信号输出至第一pwm电机驱动模块,控制第一力矩电机的运行。

作为本发明一种飞机主动侧杆系统的高精度杆力控制方法进一步的优化方案,步骤a.4)中所述前馈补偿的具体步骤如下:

通过杆力阻抗模型输出与杆力系数相乘,然后送入电流环调节器,得到进行粗调的期望电流;其中,所述杆力系数由以下方法得到:

步骤b.1),采集第一力矩电机电枢电流和第一减速器输出转矩数据;

步骤b.2),通过一阶线性拟合,得到转矩系数;

步骤b.3),将转矩系数除以主动侧杆的长度,得到杆力系数。

作为本发明一种飞机主动侧杆系统的高精度杆力控制方法进一步的优化方案,步骤a.4)中所述专家pid控制方法的具体步骤如下:

令e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别表示当前采样时刻、前一时刻和前两时刻的杆力控制误差值,于是有:

数字式增量pid公式如下:

δi(k)=kpδe(k)+kie(k)+kd[δe(k)-δe(k-1)]

其中,kp为比例系数,ki=kptc/ti为积分系数,ti为积分时间常数,kd=kptd/tc为微分系数,td为微分时间常数,tc为控制周期,m1、m2分别表示控制阈值,k1、k2、kp、ki、kd分别为控制参数;

步骤c.1),当|e(k)|≥m1时,采用开环控制:

i(k)=i(k-1)

步骤c.2),当e(k)δe(k)≥0时,若|e(k)|≥m2,通过以下方式进行控制:

i(k)=i(k-1)+k1{kpδe(k)+kie(k)+kd[δe(k)-δe(k-1)]}

步骤c.3),当|e(k)|≤m2时,采用以下方式进行控制:

i(k)=i(k-1)+kpδe(k)+kie(k)+kd[δe(k)-δe(k-1)]

步骤c.4),当e(k)δe(k)<0、δe(k)δe(k-1)>0或e(k)=0时,通过以下方式进行控制:

i(k)=i(k-1)

步骤c.5),当e(k)δe(k)<0、δe(k)δe(k-1)<0时:

若|e(k)|≥m2,控制方式为:i(k)=i(k-1)+k1kpe(k)

若|e(k)|<m2,控制方式为:i(k)=i(k-1)+k2kpe(k)

步骤c.6),当|e(k)|<ε时,控制方式为:i(k)=i(k-1)+kie(k)。

作为本发明一种飞机主动侧杆系统的高精度杆力控制方法进一步的优化方案,步骤a.3)中,所述杆力观测器的输出由电流和拟合的摩擦转矩曲线构成,令杆力观测器输出为设杆力系数为k,杆力臂为l,摩擦转矩为则:

本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:

1.提高主动侧杆在静止状态时的杆力控制精度;

2.使主动侧杆的杆阻尼根据主动侧杆转速可调整;

3.提高主动侧杆在加、减速时的杆力控制精度;

4.提高主动侧杆的可靠性,防止杆力传感器故障造成主动侧杆失效。

附图说明

图1是本发明中主动侧杆机械结构示意图;

图2是本发明中飞机主动侧杆任意一轴的原理示意图;

图3是本发明中主动侧杆第一轴的主动模式控制框图;

图4是本发明中主动侧杆第一轴的杆力曲线示意图。

图中,1-主动侧杆手柄,2-杆力传感器,3-主动侧杆第一轴,4-主动侧杆第二轴,5-主动侧杆杆体,6-行星减速器,7-力矩电机,8-旋转变压器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:

本发明公开了一种飞机主动侧杆系统的高精度杆力控制方法,如图1、图2所示,所述飞机主动侧杆系统包含监控模块和侧杆模块;

所述监控模块用于发送指令给所述侧杆模块,并控制存储和显示侧杆模块的实时状态信息;

所述侧杆模块包含主动侧杆、第一微控制单元和第二微控制单元;

所述主动侧杆的二自由度机械结构如图1所示,包含主动侧杆手柄、杆力传感器、主动侧杆杆体、第一轴、第二轴、第一轴承和第二轴承;

所述第一轴、第二轴采用内外框的形式,第一轴为内框轴,第二轴为外框轴,第一轴能够在第二轴的上下滑槽滑动;

所述第一轴的一端与孔输出直角换向减速器的输出孔通过键连接,所述第一轴的另一端与第一轴承承载;所述第二轴的一端与轴输出直角换向减速器的输出轴通过键连接,所述第二轴的另一端与第二轴承承载;

所述主动侧杆杆体的下端与第一轴固连,上端与杆力传感器的底部固连,杆力传感器的顶部与主动侧杆手柄固连;

所述杆力传感器采用2维电阻应变片式杆力传感器,分别对应第一轴上的力和第二轴上的力;

所述手柄上设有用于切换侧杆模块的工作模式的切换开关,所述工作模式包含主动模式、随动模式、配平模式以及被动模式;

所述第一微控制单元包含第一旋转变压器、第一直角换向减速器、第一力矩电机、第一微控制器、第一pwm电机驱动模块、第一手柄力调制信号电路、第一旋转变压器信号调制电路;

所述第一旋转变压器的转子与第一力矩电机转轴连接,定子与第一力矩电机的外壳连接,输出端与第一旋转变压器信号调制电路输入端相连,用于测量第一力矩电机输出轴的转角,并将其传递给所述第一微控制器;

所述第一直角换向减速器通过法兰盘固定在主动侧杆机箱上,输出孔与第一轴的一端连接,输入孔与第一力矩电机输出轴的一端连接;

所述第一手柄力调制信号电路的输入端与杆力传感器电路电气相连;

所述第一pwm电机驱动模块输出端与所述第一力矩电机电气相连;

所述第一微控制器分别和第一手柄力调制信号电路的输出端、第一pwm电机驱动模块的输入端、第一旋转变压器信号调制电路的输出端、杆力传感器、以及监控模块电气相连,用于根据获得的杆力传感器在第一轴上的杆力输出信号、第一旋转变压器信号调制电路的转角信号输出pwm波到第一pwm电机驱动模块,控制第一力矩电机的运行,同时通过自身所带的串口功能与监控模块进行串口通信,向监控模块传送侧杆模块的状态信息;

所述第二微控制单元包含第二旋转变压器、第二直角换向减速器、第二力矩电机、第二微控制器、第二pwm电机驱动模块、第二手柄力调制信号电路、第二旋转变压器信号调制电路;

所述第二旋转变压器的转子与第二力矩电机转轴连接,定子与第二力矩电机的外壳连接,输出端与第二旋转变压器信号调制电路输入端相连,用于测量第二力矩电机输出轴的转角,并将其传递给所述第二微控制器;

所述第二直角换向减速器通过法兰盘固定在主动侧杆机箱上,输出轴与第二轴的一端连接,输入孔与第二力矩电机输出轴的一端连接;

所述第二手柄力调制信号电路的输入端与杆力传感器电路电气相连;

所述第二pwm电机驱动模块输出端与所述第二力矩电机电气相连;

所述第二微控制器分别和第二手柄力调制信号电路的输出端、第二pwm电机驱动模块的输入端、第二旋转变压器信号调制电路的输出端、杆力传感器、以及监控模块电气相连,用于根据获得的杆力传感器在第二轴上的杆力输出信号、第二旋转变压器信号调制电路的转角信号输出pwm波到第二pwm电机驱动模块,控制第二力矩电机的运行,同时通过自身所带的串口功能与监控模块进行串口通信,向监控模块传送侧杆模块的状态信息。

以第一轴为例分析飞机主动侧杆系统,按照以下方法实现主动侧杆高精度杆力控制:

步骤a.1),建立飞机主动侧杆系统的杆力阻抗模型:

式中:f为主动侧杆第一轴的期望杆力;x为主动侧杆转角;为主动侧杆转速;nr为飞机法向过载;为飞机俯仰角加速度;b为主动侧杆的阻尼系数;k为主动侧杆的刚度系数;为飞机法向过载对主动侧杆杆力的反馈系数;为飞机俯仰角加速度对主动侧杆杆力的反馈系数;f0为主动侧杆的静摩擦力;ft为主动侧杆的配平杆力;fs为主动侧杆的启动杆力;fm为主动侧杆的制动杆力。

步骤a.2),本发明所述的主动侧杆高精度杆力控制框图如图3所示,首先将主动侧杆转角和转速信息作为第一轴的杆力阻抗模型的输入信号,根据杆力阻抗模型计算出第一轴的期望杆力。

步骤a.3),通过反馈杆力的方式获得实际杆力,为保证力反馈信号的精度,本发明在稳态和动态下分别采取不同的反馈杆力测量方式:

主动侧杆在稳态下,即当前控制周期主动侧杆转速与上个控制周期主动侧杆转速之差小于等于预设的转速阈值时,采用高精度杆力传感器测量实际杆力,进行杆力闭环反馈;

主动侧杆在动态下,即当前控制周期主动侧杆转速与上个控制周期主动侧杆转速之差大于预设的转速阈值时,采用基于电流和摩擦模型的杆力观测器测量实际杆力,进行杆力闭环反馈。

步骤a.4),将期望杆力与实际杆力的偏差送入力控制环,经力控制环调节,输出期望电流。为保证主动侧杆杆力的平稳性,本发明的力控制环的调节器采用专家pid方法加前馈补偿的控制方法:通过前馈补偿实现杆力控制的粗调,通过专家pid方法实现杆力控制的细调。

步骤a.5),力控制环输出的期望电流作为电流环的期望输入,经电流环调节,输出第一力矩电机控制pwm占空比。第一微控制器将第一力矩电机控制pwm波信号输出至第一pwm电机驱动模块,控制第一力矩电机的运行。

为保证主动侧杆杆力的平稳性,本发明的力控制环的调节器采用专家pid加前馈的控制方法;通过前馈环节实现杆力控制的粗调,通过专家pid方法实现杆力控制的细调。

本发明所述前馈补偿是指通过杆力阻抗模型输出与杆力系数相乘,然后送入电流环调节器,得到进行粗调的期望电流。

所述杆力系数由以下方法得到:

步骤b.1),采集第一力矩电机电枢电流和第一减速器输出转矩数据;

步骤b.2),通过一阶线性拟合,得到转矩系数;

步骤b.3),转矩系数与杆力臂之比为本发明所述杆力系数。

本发明所述力控制环调节器的专家pid控制方法实现方式如下所示:

令e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别表示当前采样时刻、前一时刻和前两时刻的杆力控制误差值,于是有:

数字式增量pid公式如下:

δi(k)=kpδe(k)+kie(k)+kd[δe(k)-δe(k-1)]

其中,kp为比例系数,ki=kptc/ti为积分系数,ti为积分时间常数,kd=kptd/tc为微分系数,td为微分时间常数,tc为控制周期,m1、m2分别表示控制阈值,k1、k2、kp、ki、kd分别为控制参数,具体控制策略如下:

步骤c.1),当|e(k)|≥m1时,杆力控制误差的绝对值较大,此时采用开环控制:

i(k)=i(k-1)

步骤c.2),当e(k)δe(k)≥0时,此时的杆力控制误差绝对值正在增大,或保持不变。若|e(k)|≥m2,则认为该误差较大,通过实施较大的控制电流,使该误差的绝对值快速减小。此时:

i(k)=i(k-1)+k1{kpδe(k)+kie(k)+kd[δe(k)-δe(k-1)]}

步骤c.3),当|e(k)|≤m2时,此时的杆力控制误差绝对值虽然在增大,但其绝对值不大;为改变该误差的变化趋势,使其绝对值减小,可实施一般的控制作用。此时:

i(k)=i(k-1)+kpδe(k)+kie(k)+kd[δe(k)-δe(k-1)]

步骤c.4),当e(k)δe(k)<0、δe(k)δe(k-1)>0或e(k)=0时,此时的杆力控制误差绝对值有减小的趋势,或已减小到零。此时:

i(k)=i(k-1)

步骤c.5),当e(k)δe(k)<0、δe(k)δe(k-1)<0时,杆力控制误差处于极值状态。

若|e(k)|≥m2,此时:i(k)=i(k-1)+k1kpe(k)

若|e(k)|<m2,此时:i(k)=i(k-1)+k2kpe(k)

步骤c.6),当|e(k)|<ε,此时:i(k)=i(k-1)+kie(k)。

主动侧杆在稳态和动态下分别采用高精度杆力传感器和基于电流和摩擦模型的杆力观测器进行杆力闭环反馈,保证了力反馈信号的精度。

步骤a.3)中,所述杆力观测器的输出由电流和拟合的摩擦转矩曲线构成,设杆力观测器输出为设杆力系数为k,杆力臂为l,摩擦转矩为杆力曲线示意图如图4所示,规定向右为正方向,在中立位右侧向右推杆时为曲线①,在中立位右侧向左拉杆时为曲线②;在中立位左侧向左拉杆时为曲线③,在中立位左侧向右推杆时为曲线④。杆力观测器输出如下所示:

对于第二轴,按照相同的方法实现主动侧杆的高精度杆力控制。

本技术领域技术人员可以理解的是,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1