飞机主动杆结构设计及控制策略研究

摘要

随着飞机电传操纵（Fly-By-Wire，FBW）系统的不断发展与成熟应用，侧杆系统的诸多优点日益凸显，现代先进飞机的驾驶杆装置逐渐由传统的中央驾驶杆/盘发展为侧杆装置。与力反馈特性单一的被动式侧杆系统（Passive Side-stick System，PSS）相比较，力反馈特性可随飞机飞行状态变化的主动式侧杆系统（Active Side-stick System，ASS）将成为飞机未来驾驶杆系统的主流。所以设计出符合要求的主动侧杆装置（Active Side-stick Device，ASD）成为实现ASS功能的首要任务。 本文基于航空工业某研究所下一代战斗机主动侧杆的预研项目，以ASD为研究对象，以设计出符合要求的ASD为目标，利用三维数字设计软件SolidWorks和有限元分析软件Workbench以及Simulink仿真平台，结合试验验证，在ASD机械结构设计、力学特性分析、结构优化及控制策略等方面进行详细研究，主要内容如下： （1）结合ASS的工作原理，详细分析ASD的功能。根据要求，对比分析力加载执行器以及各传动方案的优缺点，选取合适的力加载执行器以及整体传动方案。 （2）针对ASD俯仰与横滚方向的操纵需要相互独立的问题，提出基于三自由度陀螺仪框架结构的操纵隔离机构，通过安装在俯仰轴内部的横滚转子实现俯仰操纵和横滚操纵的隔离。为了保证ASD的可靠性，设计了基于电磁离合器的主动工作模式与被动工作模式切换机构。确定了ASD中的主要零部件，并对关键零件进行了详细计算校核。 （3）利用SolidWorks对所设计的ASD进行三维模型的建立，为保证装置能够满足力学特性要求，在Workbench中对操纵隔离机构和机架进行了静态特性和动态特性的相应分析，并针对不满足要求的结构，利用Direct Optimization模块进行单目标优化。针对ASD整体轻量化的问题，利用Shape Optimization模块和Response Surface Optimization模块，以拓扑优化和基于响应面法的多目标优化相结合的方法，对机架进行轻量化设计。 （4）结合所设计的ASD，设计了力加载执行器三闭环位置伺服控制策略和基于双闭环的复合校正力伺服控制策略，对所设计的控制策略在Simulink中进行了仿真分析。最后为验证所设计力伺服控制策略的合理性，对ASD样机进行了力跟踪试验，通过试验表明所设计力伺服控制策略可以保证系统较好地跟踪杆力模型曲线。 研究结果表明，所设计的ASD机械结构能够满足功能要求，满足静态和动态的特性要求，同时通过分析与优化，实现了装置的轻量化设计，所设计的执行器控制策略能够满足系统的跟踪精度以及快速性要求。本文研究成果可为中国ASS研究提供一定的理论参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 飞机驾驶杆发展

1.2.1 飞机操纵系统的发展

1.2.2 飞机驾驶杆装置的发展

1.2.3 驾驶杆的力加载系统发展概况

1.3 国内外主动杆研究现状

1.4 技术路线及主要研究内容

2 主动杆总体结构方案研究

2.1 主动杆系统的原理

2.2 力加载执行器的选择

2.3 机械传动方案的选择

2.4 本章小结

3 主动杆机械结构设计

3.1 两自由度操纵隔离机构

3.2 主动杆工作模式切换机构

3.3 关键零部件的设计与选取

3.3.1 齿轮的设计

3.3.2 弹簧的设计

3.3.3 其他关键部件选取

3.4 ASD三维模型的建立

3.5 本章小结

4 关键零部件的分析与优化

4.1 有限单元法与优化设计概述

4.1.1 有限单元法概述

4.1.2 有限元分析软件应用简介

4.1.3 优化设计概述

4.2 操纵隔离机构的分析与优化

4.2.1 操纵隔离机构的模态分析

4.2.2 操纵隔离机构的优化

4.2.3 操纵隔离机构的静力学分析

4.3 机架的分析与优化

4.3.1 机架的模态分析

4.3.2 机架的随机振动分析

4.3.3 机架的静力学分析

4.3.4 机架的优化

4.4 本章小结

5 主动杆控制策略研究

5.1 位置伺服系统控制策略设计

5.1.1 建立位置伺服控制系统的数学模型

5.1.2 控制器的设计

5.1.3 位置伺服系统的仿真与分析

5.2 力伺服系统控制策略设计

5.2.1 建立力伺服控制系统的数学模型

5.2.2 按扰动补偿的复合校正

5.2.3 力伺服系统的仿真与分析

5.3 系统性能试验

5.3.1 试验设备

5.3.2 试验原理与过程

5.3.3 试验结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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