一种飞机主动侧杆系统的杆力控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及飞机控制系统，尤其涉及一种飞机主动侧杆系统的杆力控制方法。
【背景技术】
[0002] 飞机的人感系统可以使飞行员在操纵飞机时有控制力感，可以影响飞机的操纵性 能，是飞机操纵系统的十分重要的组成部分。目前，大多数飞机均采用了电传飞行控制系 统，其中，弹簧加载的被动驾驶杆系统构成了这些飞机的人感系统。这种类型的驾驶杆具有 十分简单的结构，安装十分方便，操作起来也很稳定，但是最大的缺点是驾驶杆力与杆位移 间是固定不变的正比例关系，不能反映飞机的飞行状态；由于飞行员感受不到飞机的飞行 状态，飞机的飞行品质和操纵品质会有所下降。为了避免这种缺点，主动驾驶杆系统应运而 生。这种驾驶杆系统与飞行控制系统构成了闭环回路，使得飞控计算机可以与驾驶杆实时 地互相通信。采用这种方式后，飞行员可以通过驾驶杆手柄上的力准确地判断出飞机的飞 行状态，因此可以提高飞机的操纵特性和飞行品质。
[0003] 目前，主动侧杆系统中关于对杆力的控制，多数采用通过把驾驶杆上的力传感器 作为反馈杆力进行对杆力的控制，而当使用此种控制方式控制侧杆时，当侧杆处于运动状 态时，由于侧杆存在速度和加速度，使得该系统不稳定，且控制精度降低。当侧杆的转动越 大时，该系统的杆力控制精度越不稳定。同时，当力传感器受到电磁干扰或者失效时，该系 统的控制反馈量失效，这对飞机的控制性能和安全而言是非常严重的。本文通过采用把电 机的电枢电流传感器的输出值间接得到主动侧杆手柄上的力，使得该系统更加稳定；同时 采用专家PID以及智能切换的方式，使得当杆力反馈量和实际偏差很大时，由闭环杆力控制 切换到开环杆力控制。
【发明内容】
[0004] 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 动侧杆系统的杆力控制方法。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] -种飞机主动侧杆系统的杆力控制方法，所述飞机主动侧杆系统包含监控模块和 侧杆模块；
[0007]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；
[0008] 所述侧杆模块包含驾驶杆、第一微控制单元和第二微控制单元；
[0009] 所述驾驶杆包含壳体、手柄、杆力传感器、杆体、第一轴、第二轴、第一对轴承和第 二对轴承；
[0010] 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 轴能够在第二轴的滑槽滑动；
[0011]所述壳体为上下开口的矩形，第一对轴承、第二对轴承对应设置在其四壁的中心 上；
[0012] 所述第一轴、第二轴分别通过第一对轴承、第二对轴承承载，且两端均伸出所述壳 体；
[0013] 所述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 部与手柄固连；
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 所述第一微控制单元包含第一旋转式电位器、第一齿轮减速器、第一力矩电机、第 一编码器、第一微控制器、第一PWM电机驱动模块、第一固态继电器、第一手柄力调制信号电 路、第一角位移信号调制电路、和第一电流传感器；
[0017] 所述第一旋转式电位器的输入端与第一轴的一端连接，输出端与第一角位移信号 调制电路输入端相连；
[0018] 所述第一齿轮减速器通过法兰盘固定在所述壳体上，输出孔与第一轴的另一端连 接，输入孔与第一力矩电机输出轴的一端连接；
[0019] 所述第一编码器的码盘与第一力矩电机输出轴的另一端连接，用于测量第一力矩 电机输出轴的转速，并将其传递给所述第一微控制器；
[0020] 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；
[0021 ]所述第一 PWM电机驱动模块输出端通过第一固态继电器与所述第一力矩电机电气 相连；
[0022] 所述第一电流传感器用于感应第一力矩电机的电枢电流，并将其传递给所述第一 微控制器；
[0023] 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、第一固态继电器的控制端、第一角位移信号调制电路的输出端、第一编码器 的输出端、第一电流传感器、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、第一力矩电机的电枢电流信号、第一角位移信号调制电 路的转角信号以及第一力矩电机的转速信号输出PWM到波第一 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 送侧杆装置的状态信息；
[0024] 所述第二微控制单元包含第二旋转式电位器、第二齿轮减速器、第二力矩电机、第 二编码器、第二微控制器、第二PWM电机驱动模块、第二固态继电器、第二角位移信号调制电 路、第二手柄力调制信号电路、齿轮减速箱、直角换向器和第二电流传感器；
[0025] 所述第二旋转式电位器的输入端与第二轴的一端连接，输出端与与第二角位移信 号调制电路输入端相连；
[0026] 所述第二轴的另一端与齿轮减速箱的输入齿轮连接，齿轮减速箱的输出齿轮与直 角换向器的输出轴连接；
[0027] 所述直角换向器通过法兰盘固定在所述壳体上，输入端与第二齿轮减速器的输出 孔连接；
[0028]所述第二齿轮减速器通过法兰盘固定在所述壳体上，输入孔与第二力矩电机输出 轴的一端连接；
[0029]所述第二编码器的码盘与第二力矩电机输出轴的另一端连接，用于测量第二力矩 电机输出轴的转速，并将其传递给所述第二微控制器；
[0030] 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；
[0031] 所述第二PWM电机驱动模块输出端通过第二固态继电器与所述第二力矩电机电气 相连；
[0032] 所述第二电流传感器用于感应第二力矩电机的电枢电流，并将其传递给所述第二 微控制器；
[0033] 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、第二固态继电器的控制端、第二角位移信号调制电路的输出端、第二编码器 的输出端、第二电流传感器、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、第二力矩电机的电枢电流信号、第二角位移信号调制电 路的转角信号以及第二力矩电机的转速信号输出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 送侧杆装置的状态信息；
[0034]第一轴的控制具体方法如下：
[0035]步骤E.1)，采集当前时刻的第一力矩电机的电枢电流信号；
[0036]步骤E. 2)，根据第一力矩电机的电枢电流信号计算得到第一轴上的驾驶杆手柄 力；
[0037]步骤E.3)，获取当前时刻的第一角位移信号调制电路的转角信号；
[0038]步骤E.4)，根据预先设定好的杆力曲线以及当前时刻的第一角位移信号调制电路 的转角信号，得到当前时刻第一轴上驾驶杆手柄力的理论预设值；
[0039]步骤E. 5)，将步骤E. 2)计算得到的值减去步骤E. 4)计算得到的值，得到当前时刻 的杆力误差值;根据当前时刻的杆力误差值以及预先设定好的杆力曲线得到当前时刻k的 P丽波误差值，记为e(k);令e(k-l)和e(k_2)分别为上一时刻k-Ι和上两时刻k-2的P丽波误 差值，e(k)、e (k-Ι)和e (k-2)的初始值都设为零；| e (k) |代表当前时刻PWM波误差值的绝对 值大小，PWM(k)代表当前时刻第一微控制器输出的PWM波的占空比，PWM(k-l)代表上一时刻 第一微控制器输出的PWM波的占空比；
[0040]步骤E. 6 )，计算当前时刻的PWM波误差值与上一时刻的PWM波误差值之间的差值， 记为Δ e(k)，Δ e(k-l)代表上一时刻的PWM波误差值与上两时刻的PWM波误差值之间的差 值：
[0042]步骤E.7)，当|e(k) | 时，MiS预先设定的大范围控制阈值，控制第一微控制器 PWM波，使得其空占比等于当前角位移信号调制电路的转角信号相对应的PWM波占空比； [0043] 步骤E.8)，当e(k) Ae(k) 20时，若|e(k) | 2M2，M2为预先设定小范围控制阈值，第 一微控制器按照以下空占比输出PWM波：
[0044] PWM(k) = PffM(k_l )+k5{kP[e(k)-e(k_l) ]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k_l )+e(k_2) ]}
[0045]其中，k5表示反馈控制作用的强度，kP表示比例控制系数，ki表示积分控制系数，kd 表不微分控制系数；
[0046] 步骤E.9)，当|e(k) | <M2时，第一微控制器按照以下空占比输出PWM波：
[0047] PWM(k) = PffM(k_l )+kP[e(k)-e(k_l) ]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k_l )+e(k_2)];
[0048] 步骤 E.10)，当 e(k) Ae(k)<0 且 Ae(k) Ae(k-1)>0,或者 e(k) = 0 时，第一微控制 器按照以下空占比输出PWM波：
[0049] PffM(k)=PWM(k-l)；
[0050] 步骤 E.11)，当 e(k) Ae(k)<0 且 Ae(k) Ae(k-1)<0 时，若 |e(k) | 2M2,第一微控 制器按照以下空占比输出PWM波：
[0051] PffM(k)=PffM(k-l)+k5kPe(k)；
[0052] 步骤E. 12)，若| e (k) | <M2，第一微控制器按照以下空占比输出PWM波：
[0053] ?丽（1〇=?丽（1^-1)+1?1^(1〇;
[0054] 其中，k6表示只有积分作用时用来调整积分作用的参数，且k5>k6;
[0055] 步骤E. 13)，当|e(k) | <ε，第一微控制器按照以下空占比输出P丽波：
[0056] PffM(k)=PWM(k-l)+kie(k)；
[0057] 其中，ε为预先根据杆力精度设定设定的误差值大小的临界阈值。
[0058]作为本发明一种飞机主动侧杆系统的杆力控制方法进一步的优化方案，对于第一 轴，驾驶杆按照以下方法实现自动回中：
[0059] 步骤A. 1)，设定第一微控制器和第二微控制器所输出的PWM波的占空比khkhfe、 k4,使得，第一微控制器查询获取第一角位移信号调制电路的转角信号，并判 断该转角是否大于等于10° ;
[0060] 步骤A. 2)，若该转角大于等于10°，第一微控制器输出占空比为k^PWM波，并跳转 至步骤A.1);
[0061] 步骤A.3)，若该转角小于10°，则第一微控制器输出占空比为kj^PWM波；
[0062] 步骤A.4)，第一微控制器查询获取第一角位移信号调制电路的转角信号，并判断 该转角是否大于等于5° ;
[0063]步骤A.5)，若该转角大于等于5°，则第一微控制器输出占空比为k4的PWM波，并跳 转至步骤A.4);
[0064]步骤A.6)，若该转角小于5°，则第一微控制器输出占空比为k3的PWM波；
[0065] 步骤A. 7)，第一微控制器查询获取第一角位移信号调制电路的转角信号，并判断 该转角是否大于第一旋转式电位器的灵敏度阈值；
[0066] 步骤A.8)，若该转角大于等于第一旋转式电位器的灵敏度阈值，第一微控制器按 照预设的