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飞机操纵系统建模与仿真和故障分析

摘要:通过对某型飞机纵向操纵系统组成、结构及功能分析,将系统分

布参数集中化处理,利用等效动态模型法建立了

从电动舵机到舵面的数学模型。在MATLAB环境下以模块化方法进行系统仿真,

得到与实际系统静态、动态响应相吻合的仿

真模型。将此模型等效降阶成二阶模型,结合飞机纵向运动方程及飞行控制律,

得到飞机飞行状态的动态响应,这个响应与真

实情况更加接近。此模型可应用于调整飞机自动驾驶仪参数和评价飞机飞行品

质。

关键词:操纵系统;故障分析;建模;仿真

ModelingandSimulationofVehicleControlSystem

Abstract:Acompletemathematicalmodelofavehiclecontrolsystemform

ElectromechanicalActuatortoElevatorisestablishedafteranalyzing

theElevatormechanicalstructureofit.Wemodeleditbymeansofcentralizingthedistributedsystem

parametersandestablishingitwithdynamicmodeling.ByusingMatlab?Simulink,thesimulation

resultsshowthatthemodelisidenticaltotherealoneinbothstaticanddynamicperformance.

Thepracticalhighordersystemmodelisequivalenttoalowordermodel.CombiningwiththeAircraft

lognitudinalstateequationandtheflightcontrollaw,amorereliableresponseofthe

autonomousflightcanbegotten.Themodelisvaluabletotheanalysisoftheparamtersoftheflight

controllawandtheflightquality.

Keywords:vehiclecontrolsystem,dynamicequivalentmodel,modeling,simulation

引言

在飞机设计阶段,为了考察飞机操纵系统对飞机自动驾驶仪参数的影响,需

要建立完整的飞机飞行操纵系统数学模型。目前在研究飞机操纵系统时,一般是

将从舵机到操纵舵面的机械传动部分处理成一阶惯性环节。这种方法的好处是系

统的总体阶次较低,缺点是所采用的一阶惯性环节不能很好地拟合真实系统的响

应,致使所建立的系统模型误差较大,在动态特性上很难与实际系统一致。因而在

研究飞机操纵系统时,有必要将机械操纵部分建立成相对完整的数学模型,这个

模型要能在某种程度上再现真实系统的性能。本文从机械操纵部分的动态模型着

手,首先建立从电动舵机到舵面的高阶等效模型,并将此高阶模型等效降阶成二

阶等效模型。将此二阶模型与飞机状态方程、自动驾驶仪控制律结合,得到完整

的飞机飞行操纵系统动态模型。这个模型在动态特性上与真实系统相近,而且系

统的阶次只比原来增加一阶,系统分析的难度增加很小。

基于这样的飞机操纵系统模型,可用于“自动驾驶仪2操纵系统2飞机”的动

特性分析与研究、评价所设计的操纵系统及飞机飞行品质是否满足规范要求。

1从电动舵机到舵面部分的操纵系统

数学模型

1.1电动舵机到舵面部分的操纵系统结构分析

飞行操纵系统通常分为两个部分[1,4]。驾驶员的手、脚直接操纵的部分,是

由手操纵机构(驾驶杆或驾驶盘)和脚操纵机构(脚蹬)所组成。把驾驶员的动作传

到舵面的那部分,叫做传动机构或传动装置。

电动舵机由自动驾驶仪控制,一般在通向左右通道的交叉点接入机械操纵系

统,与驾驶杆(盘)或脚蹬处于并联状态。

一般飞机操纵系统由升降舵操纵系统、方向舵操纵系统和副翼操纵系统组

成。升降舵、方向舵和副翼操纵系统数学模型的建立原理基本相同,本文以升降

舵操纵系统为例。

1.2升降舵电动舵机到舵面部分操纵系统建模

自动驾驶仪控制通过电动舵机、扇形轮与升