飞行模拟器液压操纵负荷系统力感模拟方法研究

摘要

自主研制高级别飞行模拟器对促进我国航空事业的发展有重要意义。操纵负荷系统是飞行模拟器的关键系统之一，开发和研制具有高逼真度的操纵负荷系统是研制高级别模拟器的前提和基础。操纵负荷系统的力感模拟方法是指为了在模拟器上逼真的复现飞行员在驾驶真实飞机时的操纵力感所采用的伺服控制方法，对力感模拟方法的理论研究是研制高逼真度操纵负荷系统的基础。
　　力感模拟方法是操纵负荷系统研制的关键技术之一，尤其是动态力感模拟方法及惯性补偿方法更是操纵负荷系统研制的难点。此外，研究操纵负荷系统的控制策略问题，能够充分发挥系统潜能，进一步提高力感模拟性能，对操纵负荷系统研制也有重要意义。因此，本文针对这几个方面内容对力感模拟方法进行深入研究。
　　动态力感模拟问题是操纵负荷系统研究的重点及难点。本文以简单机械式飞机飞行操纵系统作为仿真对象，模拟该系统的操纵力感，把仿真对象简化为二阶动力学模型，其中包含惯性力、阻尼力及弹性力，那么研究的力感模拟方法均能实现动态力感的模拟。因此本课题以力感模拟方法研究为主线，动态力感模拟问题贯穿其中，即无论是三种基本的力感模拟方法，还是采用基于模型的前馈控制或鲁棒控制的力感模拟方法，都是以能够模拟动态力感为根本出发点，从而所研究的几种方法及得出的所有结论皆适用于动态力感模拟。
　　操纵负荷系统有三种基本力感模拟方法分别是基于位置控制回路、基于速度控制回路及基于力控制回路的力感模拟方法，力感模拟原理、仿真模型推导、稳定性问题及关键设计参数及其设计原则是各种力感模拟方法的主要研究问题。首先，本文给出三种方法的系统结构并建立了全系统的数学模型，以此为基础，推导操纵力与操纵位移的关系，指出通过合理设计仿真模型，能够改变这种关系，从而实现模拟真实飞机的杆力-杆位移特性的目的，即阐明了各方法的力感模拟原理。然后，利用操纵负荷系统与仿真对象的操纵力-操纵位移特性的等价性，导出了各方法中的仿真模型的结构及参数表达式，并从工程实现的角度，对仿真模型进行了合理的简化。第三，仿真模型确定后，从内回路及外回路两个方面分析了各方法的稳定性问题，揭示了外回路的成因及影响外回路稳定性的因素，并给出了各种情况的内外回路的稳定性条件。最后，通过对力感模拟原理的分析、仿真模型的推导及稳定性问题分析，确定了操纵负荷系统的三个关键设计参数是负载质量、负载刚度及内回路带宽，并从动态性能、稳定性等方面给出的三个关键设计参数的设计原则。本文还对基本的三种力感模拟方法进行了仿真分析，初步验证了理论分析结论的正确性。
　　在某些情况下，尤其是研制低成本的小型飞机飞行模拟器时，惯性补偿技术有重要的应用价值。本文在基于力回路系统的操纵负荷系统基础，把仿真模型中的模型质量取为负值，成功实现对负载惯性的补偿，即可用大负载惯量的系统来实现小惯性力感模拟，并给出惯性补偿的应用条件，还用实验验证此法的有效性。
　　针对位置回路系统提出并设计了能提高稳定性的基于模型的前馈控制器。结合液压动力机构的实测频率特性设计了能提高稳定性的力反馈控制器。为了提高系统的鲁棒性能，提出了操纵负荷系统的两自由度鲁棒控制系统结构，并应用综合理论设计了鲁棒控制器。本文用实验证明上述控制策略的有效性。
　　最后在所研制的操纵负荷系统试验台上，进行了各种情况的稳定性实验、阶跃响应特性实验、频率特性测试及多余力验证实验，全面验证了本文的理论分析结论的正确性及所设计的控制器的有效性。

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第1章 绪论

1.1 课题的来源及研究目的和意义

1.2 操纵负荷系统的组成

1.3 操纵负荷系统的力感模拟方法

1.4 操纵负荷系统的力感特性及性能指标要求

1.5 操纵负荷系统的发展概况及研制现状

1.5.1 飞行模拟器概述

1.5.2 飞行模拟器研制的关键技术及发展趋势

1.5.3 操纵负荷系统的发展概况

1.5.4 操纵负荷系统的研制现状

1.6 论文的主要研究内容

第2章 液压操纵负荷系统建模

2.1 引言

2.2 操纵负荷系统架构

2.2.1 位置回路系统架构

2.2.2 速度回路系统架构

2.2.3 力回路系统架构

2.3 液压动力机构模型

2.4 操纵负荷系统建模

2.4.1 内回路模型

2.4.2 全系统模型

2.5 仿真对像建模

2.6 本章小结

第3章 力感模拟原理及稳定性分析

3.1 引言

3.2 仿真模型推导及力感模拟原理分析

3.2.1 位置回路系统

3.2.2 速度回路系统

3.2.3 力回路系统

3.3 操纵负荷系统稳定性问题

3.4 内回路稳定性分析

3.4.1 位置控制回路

3.4.2 力控制回路

3.5 外回路稳定性分析

3.5.1 位置回路系统

3.5.2 速度回路系统

3.5.3 力回路系统

3.6 本章小结

第4章 操纵负荷系统设计原则及仿真

4.1 引言

4.2 内回路带宽

4.2.1 位置回路系统

4.2.2 速度回路系统

4.2.3 力回路系统

4.2.4 设计原则

4.3 负载刚度

4.4 负载质量

4.5 总体设计思路

4.6 仿真研究

4.6.1 外回路开环频率特性仿真

4.6.2 外回路闭环频率特性仿真

4.6.3 阶跃响应特性仿真

4.7 本章小结

第5章 操纵负荷系统的控制策略

5.1 引言

5.2 经典控制策略

5.2.1 PID控制

5.2.2 基于模型的前馈控制

5.2.3 力反馈控制

5.3 鲁棒控制理论基础

5.3.1 鲁棒控制基本思想

5.3.2 不确定性的描述

5.3.3 鲁棒稳定性的频域判据

5.3.4 ??∞控制问题

5.3.5 ??∞控制问题的Riccati方程解法

5.3.6 ?? 设计与鲁棒性能

5.3.7 D-K递推设计法

5.4 操纵负荷系统的鲁棒控制器设计

5.4.1 机理模型

5.4.2 系统不确定性分析

5.4.3 鲁棒控制系统的结构

5.4.4 加权函数的选取

5.4.5 ??控制器的设计

5.5 本章小结

第6章 实验研究

6.1 引言

6.2 鲁棒控制器设计

6.2.1 标称模型确定

6.2.2 加权函数选择

6.2.3 鲁棒控制器

6.3 稳定性实验

6.3.1 位置回路系统

6.3.2 速度回路系统

6.3.3 力回路系统

6.3.4 力反馈控制器

6.3.5 基于模型的前馈控制器

6.4 阶跃响应特性实验

6.4.1 位置回路系统

6.4.2 速度回路系统

6.4.3 力回路系统

6.4.4 鲁棒控制器

6.5 频率特性测试

6.5.1 位置回路系统外回路频率特性

6.5.2 操纵位移对操纵力的频率特性测试

6.6 多余力验证实验

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致 谢

个人简历