一種飛機主動側桿系統的桿力控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及飛機控制系統，尤其涉及一種飛機主動側桿系統的桿力控制方法。
【背景技術】
[0002] 飛機的人感系統可以使飛行員在操縱飛機時有控制力感，可以影響飛機的操縱性 能，是飛機操縱系統的十分重要的組成部分。目前，大多數飛機均采用了電傳飛行控制系 統，其中，彈簧加載的被動駕駛桿系統構成了這些飛機的人感系統。這種類型的駕駛桿具有 十分簡單的結構，安裝十分方便，操作起來也很穩定，但是最大的缺點是駕駛桿力與桿位移 間是固定不變的正比例關系，不能反映飛機的飛行狀態；由于飛行員感受不到飛機的飛行 狀態，飛機的飛行品質和操縱品質會有所下降。為了避免這種缺點，主動駕駛桿系統應運而 生。這種駕駛桿系統與飛行控制系統構成了閉環回路，使得飛控計算機可以與駕駛桿實時 地互相通信。采用這種方式后，飛行員可以通過駕駛桿手柄上的力準確地判斷出飛機的飛 行狀態，因此可以提高飛機的操縱特性和飛行品質。
[0003] 目前，主動側桿系統中關于對桿力的控制，多數采用通過把駕駛桿上的力傳感器 作為反饋桿力進行對桿力的控制，而當使用此種控制方式控制側桿時，當側桿處于運動狀 態時，由于側桿存在速度和加速度，使得該系統不穩定，且控制精度降低。當側桿的轉動越 大時，該系統的桿力控制精度越不穩定。同時，當力傳感器受到電磁干擾或者失效時，該系 統的控制反饋量失效，這對飛機的控制性能和安全而言是非常嚴重的。本文通過采用把電 機的電樞電流傳感器的輸出值間接得到主動側桿手柄上的力，使得該系統更加穩定；同時 采用專家PID以及智能切換的方式，使得當桿力反饋量和實際偏差很大時，由閉環桿力控制 切換到開環桿力控制。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】中所涉及到的缺陷，提供一種飛機主 動側桿系統的桿力控制方法。
[0005] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0006] -種飛機主動側桿系統的桿力控制方法，所述飛機主動側桿系統包含監控模塊和 側桿模塊；
[0007]所述監控模塊用于發送指令給所述側桿模塊，并控制存儲和顯示側桿模塊的實時 狀態信息；
[0008] 所述側桿模塊包含駕駛桿、第一微控制單元和第二微控制單元；
[0009] 所述駕駛桿包含殼體、手柄、桿力傳感器、桿體、第一軸、第二軸、第一對軸承和第 二對軸承；
[0010] 所述第一軸、第二軸采用內外框的形式，第一軸為內框軸，第二軸為外框軸，第一 軸能夠在第二軸的滑槽滑動；
[0011]所述殼體為上下開口的矩形，第一對軸承、第二對軸承對應設置在其四壁的中心 上；
[0012] 所述第一軸、第二軸分別通過第一對軸承、第二對軸承承載，且兩端均伸出所述殼 體；
[0013] 所述桿體的下端與第一軸固連，上端與桿力傳感器的底部固連，桿力傳感器的頂 部與手柄固連；
[0014] 所述桿力傳感器采用2維電阻應變片式桿力傳感器，分別對應第一軸上的力和第 二軸上的力；
[0015] 所述手柄上設有用于切換側桿模塊的工作模式的切換開關，所述工作模式包含主 動模式、隨動模式、配平模式以及被動模式；
[0016] 所述第一微控制單元包含第一旋轉式電位器、第一齒輪減速器、第一力矩電機、第 一編碼器、第一微控制器、第一PWM電機驅動模塊、第一固態繼電器、第一手柄力調制信號電 路、第一角位移信號調制電路、和第一電流傳感器；
[0017] 所述第一旋轉式電位器的輸入端與第一軸的一端連接，輸出端與第一角位移信號 調制電路輸入端相連；
[0018] 所述第一齒輪減速器通過法蘭盤固定在所述殼體上，輸出孔與第一軸的另一端連 接，輸入孔與第一力矩電機輸出軸的一端連接；
[0019] 所述第一編碼器的碼盤與第一力矩電機輸出軸的另一端連接，用于測量第一力矩 電機輸出軸的轉速，并將其傳遞給所述第一微控制器；
[0020] 所述第一手柄力調制信號電路的輸入端與桿力傳感器電路電氣相連；
[0021 ]所述第一 PWM電機驅動模塊輸出端通過第一固態繼電器與所述第一力矩電機電氣 相連；
[0022] 所述第一電流傳感器用于感應第一力矩電機的電樞電流，并將其傳遞給所述第一 微控制器；
[0023] 所述第一微控制器分別和第一手柄力調制信號電路的輸出端、第一 PWM電機驅動 模塊的輸入端、第一固態繼電器的控制端、第一角位移信號調制電路的輸出端、第一編碼器 的輸出端、第一電流傳感器、桿力傳感器、以及監控模塊電氣相連，用于根據獲得的桿力傳 感器在第一軸上的桿力輸出信號、第一力矩電機的電樞電流信號、第一角位移信號調制電 路的轉角信號以及第一力矩電機的轉速信號輸出PWM到波第一 PWM電機驅動模塊，控制第一 力矩電機的運行，同時通過自身所帶的串口功能與監控模塊進行串口通信，向監控模塊傳 送側桿裝置的狀態信息；
[0024] 所述第二微控制單元包含第二旋轉式電位器、第二齒輪減速器、第二力矩電機、第 二編碼器、第二微控制器、第二PWM電機驅動模塊、第二固態繼電器、第二角位移信號調制電 路、第二手柄力調制信號電路、齒輪減速箱、直角換向器和第二電流傳感器；
[0025] 所述第二旋轉式電位器的輸入端與第二軸的一端連接，輸出端與與第二角位移信 號調制電路輸入端相連；
[0026] 所述第二軸的另一端與齒輪減速箱的輸入齒輪連接，齒輪減速箱的輸出齒輪與直 角換向器的輸出軸連接；
[0027] 所述直角換向器通過法蘭盤固定在所述殼體上，輸入端與第二齒輪減速器的輸出 孔連接；
[0028]所述第二齒輪減速器通過法蘭盤固定在所述殼體上，輸入孔與第二力矩電機輸出 軸的一端連接；
[0029]所述第二編碼器的碼盤與第二力矩電機輸出軸的另一端連接，用于測量第二力矩 電機輸出軸的轉速，并將其傳遞給所述第二微控制器；
[0030] 所述第二手柄力調制信號電路的輸入端與桿力傳感器電路電氣相連；
[0031] 所述第二PWM電機驅動模塊輸出端通過第二固態繼電器與所述第二力矩電機電氣 相連；
[0032] 所述第二電流傳感器用于感應第二力矩電機的電樞電流，并將其傳遞給所述第二 微控制器；
[0033] 所述第二微控制器分別和第二手柄力調制信號電路的輸出端、第二PWM電機驅動 模塊的輸入端、第二固態繼電器的控制端、第二角位移信號調制電路的輸出端、第二編碼器 的輸出端、第二電流傳感器、桿力傳感器、以及監控模塊電氣相連，用于根據獲得的桿力傳 感器在第二軸上的桿力輸出信號、第二力矩電機的電樞電流信號、第二角位移信號調制電 路的轉角信號以及第二力矩電機的轉速信號輸出PWM波到第二PWM電機驅動模塊，控制第二 力矩電機的運行，同時通過自身所帶的串口功能與監控模塊進行串口通信，向監控模塊傳 送側桿裝置的狀態信息；
[0034]第一軸的控制具體方法如下：
[0035]步驟E.1)，采集當前時刻的第一力矩電機的電樞電流信號；
[0036]步驟E. 2)，根據第一力矩電機的電樞電流信號計算得到第一軸上的駕駛桿手柄 力；
[0037]步驟E.3)，獲取當前時刻的第一角位移信號調制電路的轉角信號；
[0038]步驟E.4)，根據預先設定好的桿力曲線以及當前時刻的第一角位移信號調制電路 的轉角信號，得到當前時刻第一軸上駕駛桿手柄力的理論預設值；
[0039]步驟E. 5)，將步驟E. 2)計算得到的值減去步驟E. 4)計算得到的值，得到當前時刻 的桿力誤差值;根據當前時刻的桿力誤差值以及預先設定好的桿力曲線得到當前時刻k的 P麗波誤差值，記為e(k);令e(k-l)和e(k_2)分別為上一時刻k-Ι和上兩時刻k-2的P麗波誤 差值，e(k)、e (k-Ι)和e (k-2)的初始值都設為零；| e (k) |代表當前時刻PWM波誤差值的絕對 值大小，PWM(k)代表當前時刻第一微控制器輸出的PWM波的占空比，PWM(k-l)代表上一時刻 第一微控制器輸出的PWM波的占空比；
[0040]步驟E. 6 )，計算當前時刻的PWM波誤差值與上一時刻的PWM波誤差值之間的差值， 記為Δ e(k)，Δ e(k-l)代表上一時刻的PWM波誤差值與上兩時刻的PWM波誤差值之間的差 值：
[0042]步驟E.7)，當|e(k) | 時，MiS預先設定的大范圍控制閾值，控制第一微控制器 PWM波，使得其空占比等于當前角位移信號調制電路的轉角信號相對應的PWM波占空比； [0043] 步驟E.8)，當e(k) Ae(k) 20時，若|e(k) | 2M2，M2為預先設定小范圍控制閾值，第 一微控制器按照以下空占比輸出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表示反饋控制作用的強度，kP表示比例控制系數，ki表示積分控制系數，kd 表不微分控制系數；
[0046] 步驟E.9)，當|e(k) | <M2時，第一微控制器按照以下空占比輸出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] 步驟 E.10)，當 e(k) Ae(k)<0 且 Ae(k) Ae(k-1)>0,或者 e(k) = 0 時，第一微控制 器按照以下空占比輸出PWM波：
[0049] PffM(k)=PWM(k-l)；
[0050] 步驟 E.11)，當 e(k) Ae(k)<0 且 Ae(k) Ae(k-1)<0 時，若 |e(k) | 2M2,第一微控 制器按照以下空占比輸出PWM波：
[0051] PffM(k)=PffM(k-l)+k5kPe(k)；
[0052] 步驟E. 12)，若| e (k) | <M2，第一微控制器按照以下空占比輸出PWM波：
[0053] ?麗（1〇=?麗（1^-1)+1?1^(1〇;
[0054] 其中，k6表示只有積分作用時用來調整積分作用的參數，且k5>k6;
[0055] 步驟E. 13)，當|e(k) | <ε，第一微控制器按照以下空占比輸出P麗波：
[0056] PffM(k)=PWM(k-l)+kie(k)；
[0057] 其中，ε為預先根據桿力精度設定設定的誤差值大小的臨界閾值。
[0058]作為本發明一種飛機主動側桿系統的桿力控制方法進一步的優化方案，對于第一 軸，駕駛桿按照以下方法實現自動回中：
[0059] 步驟A. 1)，設定第一微控制器和第二微控制器所輸出的PWM波的占空比khkhfe、 k4,使得，第一微控制器查詢獲取第一角位移信號調制電路的轉角信號，并判 斷該轉角是否大于等于10° ;
[0060] 步驟A. 2)，若該轉角大于等于10°，第一微控制器輸出占空比為k^PWM波，并跳轉 至步驟A.1);
[0061] 步驟A.3)，若該轉角小于10°，則第一微控制器輸出占空比為kj^PWM波；
[0062] 步驟A.4)，第一微控制器查詢獲取第一角位移信號調制電路的轉角信號，并判斷 該轉角是否大于等于5° ;
[0063]步驟A.5)，若該轉角大于等于5°，則第一微控制器輸出占空比為k4的PWM波，并跳 轉至步驟A.4);
[0064]步驟A.6)，若該轉角小于5°，則第一微控制器輸出占空比為k3的PWM波；
[0065] 步驟A. 7)，第一微控制器查詢獲取第一角位移信號調制電路的轉角信號，并判斷 該轉角是否大于第一旋轉式電位器的靈敏度閾值；
[0066] 步驟A.8)，若該轉角大于等于第一旋轉式電位器的靈敏度閾值，第一微控制器按 照預設的