软式飞机机械式操纵系统的仿真实现方法与流程

本发明涉及的是一种飞机设计领域的技术，具体是一种软式飞机机械式操纵系统的仿真实现方法。

背景技术：

飞机操纵系统是实现飞机各种飞行姿态稳定控制的机构，其工作状况直接影响飞机各项性能指标及飞行安全性。从首架飞机诞生到现在，飞行操纵系统已从最初的机械式操纵系统发展到电传操纵系统，但机械式操纵系统由于成本较低、工作可靠等优点，现仍广泛应用于低速飞机和一些运输机上。随着飞机载重和体积的增大、飞行速度的增加、舵面气动载荷急剧升高，借助于液压助力装置以及钢索传动机构的操纵系统(或作为电传操纵系统的机械备份操纵)成为众多飞机所采用的控制系统模式。

目前对于软式钢索操纵系统动力学分析的建模与仿真，大多是针对某一具体型号的飞机建立数学模型再进行仿真计算。这种建模方法在其通用性方面存在很大的局限性，若操纵系统结构发生改变，则必须重新对整体操纵系统进行分析建模，这使得对于不同型号飞机操纵系统的动力学性能评估与验证的过程变得极为复杂，耗时耗力；再加上长跨度软式飞机操纵系统自身结构的复杂性，系统中结构件种类和数目繁多(包含扇形轮、钢索、滑轮、拉杆、复合摇臂、液压助力器、电动舵机和张力调节器等)，也使得操纵系统的建模难度和不精确因素大大增加。因此，建立一种更为简便、高效、精确的飞机机械操纵系统仿真建模方法对于飞机设计具有重要的工程意义。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种软式飞机机械式操纵系统的仿真实现方法，将现有技术中的操纵系统划分为若干基础构件并进行仿真，再进行重新组合构建新的操纵系统，提高新型机械式操纵系统设计和使用的可靠性，节约研发和生产成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种软式飞机机械式操纵系统的仿真实现方法，首先将典型的机械式操纵系统按实际功能与物理边界分解为若干基础构件，针对各基础构件进行等效建模并提取输入参数；接着通过输入参数以及各基础构件间力和位移的输入输出关系获得输出参数，从而得到完整的基础参数；基于基础参数创建并存储动力学仿真模块；然后根据新的构件布置方式与输入、输出参数补充完善仿真模块并调取，重新组合连成整体；最后设定仿真参数、积分步长和算法，进行仿真计算，获得仿真结果。

所述的基础参数中各参数包括参数名称和参量。

所述的输出参数通过matlab程序中simulink组件的s-函数计算获得。

所述的仿真模块包括：输入参数模块、接口模块、程序计算模块和输出结果模块四个部分，可按实际需要选取各部分添加到各个基础构件的仿真模块中。

技术效果

与现有技术相比，本发明基于组成操纵系统的各基础构件，具有可扩展性，从而使仿真系统在应用过程中能被不断完善；程序计算模块内嵌于构件仿真模块中，因此建模与仿真计算可同步实现，大大简化了模型修改过程，使用时仅需根据实际情况选取所需构件模块进行连接并修改对应参数，无需重新建模，因此适用于各种飞机操纵系统的仿真，具有较高的通用性，节省了研发和生产的成本；本发明与实测结果相比，钢索变形误差百分比在0.0012％～0.0214％之间，达到了很高的仿真精度，同时机构输出摩擦力变化趋势也与实测结果一致。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明中钢索单元件仿真模块框图；

图3为本发明构建的整体操纵系统仿真模型结构示意图；

图4为基于图3的仿真模型中，滑轮半径为50mm时的钢索-滑轮机构模拟结果与实测结果对比图；

图中：(a)为不同滑轮包角与输出摩擦力关系的模拟结果，(b)为不同滑轮包角与输出摩擦力关系的实测结果；

图5为基于图3的仿真模型中，滑轮半径为50mm时的钢索-滑轮机构模拟结果与实测结果对比图；

图中：(a)为不同钢索张力与输出摩擦力关系的模拟结果，(b)为不同钢索张力与输出摩擦力关系的实测结果。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

以某型飞机的副翼操纵系统为例，该操纵系统工作时由飞行员驱动驾驶盘产生力或位移，通过拉杆-摇臂机构、钢索传动机构依次传递至执行元件，最终带动舵面偏转。

本实施例对副翼操纵系统进行建模仿真的流程如图1所示，具体步骤如下：

s1，将副翼操纵系统按其实际功能及物理边界进行分解，得到五种类型的基础构件，包括：钢索-滑轮机构、钢索-扇形轮机构、钢索单元件、拉杆-摇臂机构和液压舵机系统；对上述基础构件进行仿真模块建模；

s101，针对各基础构件进行等效建模提取输入参数；

s102，接着基于输入参数以及各基础构件间力和位移的输入输出关系通过matlab程序中simulink组件的s-函数计算获得输出参数，从而得到完整的基础参数，如表1所示；

s103，基于基础参数创建并存储各基础构件的动力学仿真模块，分别为钢索-滑轮机构仿真模块、钢索-扇形轮机构仿真模块、钢索单元件仿真模块、拉杆-摇臂机构仿真模块和液压舵机系统仿真模块，其中：

a)钢索-扇形轮机构仿真模块：

1)输入接口dis连接前一模块的elongation接口或u接口，输入接口ft连接前一模块的ft’接口或f’接口；

2)输出接口为elongation和ft’，分别连接后一模块的dis接口和ft接口；

b)钢索单元件仿真模块，如图2所示：

1)输入接口为ft，连接前一模块的ft’接口；

2)输出接口为elongation和ft’，分别连接后一模块的dis接口和ft接口；

c)钢索-滑轮机构仿真模块：

1)输入接口为dis和ft，分别连接前一模块的elongation接口和ft’接口；

2)输出接口为elongation和ft’，分别连接后一模块的dis接口和ft接口；

d)拉杆-摇臂机构仿真模块：

1)输入接口为f，连接前一模块的ft’接口；

2)输出接口为u和f’，分别连接后一模块的dis接口和ft接口；

e)液压舵机系统仿真模块：

1)输入接口为△l，连接前一模块的elongation接口；

2)输出接口为u1，连接后一模块的dis接口。

表1基础参数

s2，根据新的构件布置方式与输入、输出参数调取各仿真模块，重新组合连成整体，如果系统中的构件数目过于繁多，可先将若干基础构件组合为结构相对固定的部件模块，保存至模块库中，从而在整体系统的搭建过程中直接调用：

如图2和图3所示，本实施例涉及构件数量8个，包含3个钢索单元件、2个钢索-滑轮机构、1个钢索-扇形轮机构、1个拉杆-摇臂机构和1个液压舵机系统；除了拉杆-摇臂机构直接与钢索-扇形轮机构相连接之外，其余各机构之间均通过钢索单元件过渡连接。具体连接方式及顺序为：拉杆-摇臂机构仿真模块的输出接口u和f’分别与钢索-扇形轮机构仿真模块的输入接口dis和ft相连；钢索-扇形轮机构仿真模块的输出接口ft’与第一个钢索单元件仿真模块的输入接口ft相连；第一个钢索单元件仿真模块的输出接口elongation和ft’分别与第一个钢索-滑轮机构仿真模块的输入接口dis和ft相连；第一个钢索-滑轮机构仿真模块的输出接口ft’与第二个钢索单元件仿真模块的输入接口ft相连；第二个钢索单元件仿真模块的输出接口elongation和ft’分别与第二个钢索-滑轮仿真模块的输入接口dis和ft相连；第二个钢索-滑轮仿真模块的输出接口ft’与第三个钢索单元件仿真模块的输入接口ft相连；第三个钢索单元件仿真模块的输出接口elongation与液压舵机系统仿真模块的输入接口△l相连。

s3，设置积分步长为0.001s，仿真时长为1s，采用四阶龙格库塔算法进行仿真计算，获得仿真结果。

针对系统中最为关键同时数量也最多的钢索单元件和钢索-滑轮机构，进行仿真结果与实测结果的比较，其中：钢索单元件选取其变形，即elongation，作为比较指标；钢索滑轮机构选取其输出摩擦力，即ft与ft’的差值，作为比较指标，具体比较结果如表2、图4和图5所示；结果表明：钢索单元件的仿真结果与实际测量数据基本吻合，相对误差在0.0012％～0.0214％之间；而钢索-滑轮机构输出摩擦力与滑轮包角和钢索张力的关系变化趋势与实际测量结果一致，误差较小。

表2钢索单元件拉伸仿真结果与实际测量数据比对