《机械电子工程原理 教学课件 ppt 作者 王孙安 等编著 Ch20 第二十章 飞行动力模拟训练系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械电子工程原理 教学课件 ppt 作者 王孙安 等编著 Ch20 第二十章 飞行动力模拟训练系统（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械工业出版社,机械电子工程原理,第二十章 飞行动力训练地面模拟系统的设计,2,20.1 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,(
2、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
3、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。,4,20.2 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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025公里和05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
10、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
11、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：30010000r/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
12、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%）,15,20.3 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
13、。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
14、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
15、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
16、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；e 为系统的等效体积模量；1h、h 分别为泵控液压马达和阀控缸的液压固有频率；1h、h 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
