[发明专利]一种飞机主动侧杆系统的高精度杆力控制方法

摘要

本发明公开了一种飞机主动侧杆系统的高精度杆力控制方法，针对飞机主动侧杆的主动工作模式，采用基于转矩的阻抗控制策略，设计了基于专家PID加前馈的杆力控制方法，保证了杆力控制精度。其中，主动侧杆在稳态和动态下分别采用高精度杆力传感器和基于电流和摩擦模型的杆力观测器进行杆力闭环反馈，保证了力反馈信号的精度。

主权项

1.一种飞机主动侧杆系统的高精度杆力控制方法，所述飞机主动侧杆系统包含监控模块和侧杆模块；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；所述侧杆模块包含主动侧杆、第一微控制单元和第二微控制单元；所述主动侧杆包含主动侧杆手柄、杆力传感器、主动侧杆杆体、第一轴、第二轴、第一轴承和第二轴承；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上下滑槽滑动；所述第一轴的一端与孔输出直角换向减速器的输出孔通过键连接，所述第一轴的另一端与第一轴承承载；所述第二轴的一端与轴输出直角换向减速器的输出轴通过键连接，所述第二轴的另一端与第二轴承承载；所述主动侧杆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主动侧杆手柄固连；所述杆力传感器采用二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；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；所述第一微控制单元包含第一旋转变压器、第一直角换向减速器、第一力矩电机、第一微控制器、第一PWM电机驱动模块、第一手柄力调制信号电路、第一旋转变压器信号调制电路；所述第一旋转变压器的转子与第一力矩电机转轴连接，定子与第一力矩电机的外壳连接，输出端与第一旋转变压器信号调制电路输入端相连，用于测量第一力矩电机输出轴的转角，并将其传递给所述第一微控制器；所述第一直角换向减速器通过法兰盘固定在主动侧杆机箱上，输出孔与第一轴的一端连接，输入孔与第一力矩电机输出轴的一端连接；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；所述第一PWM电机驱动模块输出端与所述第一力矩电机电气相连；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、第一旋转变压器信号调制电路的输出端、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、第一旋转变压器信号调制电路的转角信号输出PWM波到第一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模块的状态信息；所述第二微控制单元包含第二旋转变压器、第二直角换向减速器、第二力矩电机、第二微控制器、第二PWM电机驱动模块、第二手柄力调制信号电路、第二旋转变压器信号调制电路；所述第二旋转变压器的转子与第二力矩电机转轴连接，定子与第二力矩电机的外壳连接，输出端与第二旋转变压器信号调制电路输入端相连，用于测量第二力矩电机输出轴的转角，并将其传递给所述第二微控制器；所述第二直角换向减速器通过法兰盘固定在主动侧杆机箱上，输出轴与第二轴的一端连接，输入孔与第二力矩电机输出轴的一端连接；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；所述第二PWM电机驱动模块输出端与所述第二力矩电机电气相连；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、第二旋转变压器信号调制电路的输出端、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、第二旋转变压器信号调制电路的转角信号输出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模块的状态信息；其特征在于，所述高精度杆力控制方法中第一轴的具体控制步骤如下：步骤A.1)，建立飞机主动侧杆系统第一轴的杆力阻抗模型：式中：F为主动侧杆第一轴的期望杆力；x为主动侧杆转角；为主动侧杆转速；n_r为飞机法向过载；为飞机俯仰角加速度；B为主动侧杆的阻尼系数；K为主动侧杆的刚度系数；为飞机法向过载对主动侧杆杆力的反馈系数；为飞机俯仰角加速度对主动侧杆杆力的反馈系数；f₀为主动侧杆的静摩擦力；F_t为主动侧杆的配平杆力；F_s为主动侧杆的启动杆力；F_m为主动侧杆的制动杆力；步骤A.2)，将主动侧杆转角和转速信息作为第一轴的杆力阻抗模型的输入信号，根据杆力阻抗模型计算出第一轴的期望杆力；步骤A.3)，通过反馈杆力的方式获得实际杆力：假设飞机主动侧杆系统的控制周期为Tc，主动侧杆在稳态下，即当前控制周期主动侧杆转速与上个控制周期主动侧杆转速之差小于等于预设的转速阈值时，采用高精度杆力传感器测量实际杆力，进行杆力闭环反馈；主动侧杆在动态下，即当前控制周期主动侧杆转速与上个控制周期主动侧杆转速之差大于预设的转速阈值时，采用基于电流和摩擦模型的杆力观测器测量实际杆力，进行杆力闭环反馈；步骤A.4)，将期望杆力与实际杆力的偏差送入力控制环，经力控制环调节，输出期望电流；所述力控制环的调节器采用专家PID方法加前馈补偿的控制方法：通过前馈补偿用于实现杆力控制的粗调，通过专家PID方法用于实现杆力控制的细调；步骤A.5)，将力控制环输出的期望电流作为电流环的期望输入，经电流环调节，输出第一力矩电机控制PWM占空比；第一微控制器将第一力矩电机控制PWM波信号输出至第一PWM电机驱动模块，控制第一力矩电机的运行。