基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统及方法

1.本发明属于飞机飞行控制领域，特别涉及基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统及方法。


背景技术：

2.在一般情况下，飞机飞行控制中独立控制每个控制表面时，可以通过可用的气动冗余度容错飞行控制系统来缓解单一或多个控制表面故障所造成的影响。现有的容错飞行控制系统的研究和开发都集中在飞行控制系统上。因此，现有的技术研究中，与开发容错飞行控制相比，开发液压控制表面执行机构的容错控制所做的工作相对较少。现有的传统飞行控制回路研究，是通过添加冗余硬件来解决的。而电液执行机构控制系统技术的快速发展使得流体动力系统中一些常见故障的影响能够通过容错执行机构控制回路得到缓解。在这种系统中，飞行控制器和液压控制表面执行机构的伺服回路之间共享容错负担。因此，开发实验模拟框架，使现有和新的容错控制和状态监测技术能够使用真实的流体动力硬件进行客观评估，对于飞行控制容错控制研究技术的优化是至关重要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统及方法，以解决上述问题。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统，包括图形终端、工作站、第一液压回路、第二液压回路和仿真模型及例程；图形终端、第一液压回路和第二液压回路均连接到仿真模型及例程，图形终端、第一液压回路、第二液压回路和仿真模型及例程上均设置有工作站；第一液压回路用于模拟飞机飞行控制执行机构，第二液压回路用于在控制面执行机构上施加动态干扰负载，以模拟飞机真实的飞行场景；图形终端用于显示；工作站分别用于控制执行f16仿真模型和例程，用于控制第一液压回路和第二液压回路，用于运行图形终端的图形引擎将图形可视化。
6.进一步的，工作站包括工作站ws1、工作站ws2、工作站ws3和工作站ws4；工作站ws1执行f16仿真模型和例程；工作站ws2用于控制实验液压飞行控制模拟执行机构，即控制所述第一液压回路，pc端配有一个编码器卡和一个das-16f输入/输出板，在pc端、执行机构和仪表之间提供数字—模拟(d/a)和模拟—数字(a/d)接口；工作站ws3控制动态负载模拟器，即控制所述第二液压回路，pc端配备有一个das-16f板和一个编码器卡，ws3和动态负载模拟器硬件构成了一个闭环力控制系统，用于向飞行控制模拟执行机构施加气动干扰负载；工作站ws4用于运行一个图形引擎将图形可视化。
7.进一步的，例程包括例程pilot()、例程fcs()、例程hifi_f16()、例程nl_hydraulics()和例程cs_loads()。
8.进一步的，例程pilot()连接例程fcs()，例程fcs()和例程cs_loads()连接到例
程nl_hydraulics()，例程hifi_f16()同时连接例程fcs()、例程nl_hydraulics()和例程cs_loads()。
9.进一步的，第一液压回路和第二个液压回路分别由伺服阀控制的执行机构组成。
10.进一步的，图形终端、第一液压回路、第二液压回路和仿真模型及例程之间均通过以太网连接通道连接。
11.进一步的，基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真方法，包括以下步骤：
12.选用flightgear软件包的图形引擎提供模拟器框架；
13.创建基于详细高保真平坦地球气动模型创建f16气动仿真模型；
14.采用旋转扁球形地球模型将气动模型与飞行齿轮图形引擎正确连接，该模型在地心轴和大地坐标轴上都有飞机重心坐标，并模拟重力谐波效应；
15.确定飞机控制面的气动干扰负载该负载是由运行在ws1上的例程cs_loads()计算，force命令采用用户数据协议udp通过以太网通道传输到ws3控制的动态负载模拟器中的力控制器完成d/a或a/d转换；
16.动态负载模拟器根据指令作出相应的负载模拟并将干扰荷载作用于工作站ws2控制的飞行控制模拟执行机构上；
17.飞行控制模拟执行机构的过滤位置被用作辅助控制输入，通过试验和误差确定控制器参数；
18.控制指令偏差由例程fcs()计算，并采用用户数据协议udp通过以太网通道传输到ws2控制的飞行控制模拟执行机构中的位置控制器完成d/a或a/d转换；
19.闭环位置控制器在软件中实现，das-16f输入/输出板用于向伺服阀发送控制信号，液压执行机构完成指令所控制的动作；
20.udp通道还用于将当前执行机构位置传回例程hifi_f16()，用于更新飞机运行状态。
21.进一步的，确定飞机控制面的气动干扰负载
[0022][0023]
式中：为气动干扰负载，为动压力，ch为非线性铰链力矩系数，α为迎角，δ控制面板偏转，m
*
为乘数，m为马赫数影响系数，k
l
＝2500。
[0024]
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
[0025]
本方案是一种新型的仿真技术，利用环模拟器技术实现电液飞行控制容错控制的仿真，该仿真的实现方式相比传统的仿真，其电液执行机构控制系统的应用使得流体动力系统中一些常见故障的影响能够通过容错执行机构控制回路得到缓解。第一液压回路用于模拟飞机飞行控制执行机构，第二液压回路用于在控制面执行机构上施加动态干扰负载，以模拟飞机真实的飞行场景；图形终端用于显示；工作站分别用于控制执行f16仿真模型和例程，用于控制第一液压回路和第二液压回路，用于运行图形终端的图形引擎将图形可视化。这样的分配使得仿真实验相比传统的模式更具有可行性。
[0026]
本方案将使现有和新的容错控制和状态监测技术能够使用真实的流体动力硬件
进行客观评估，使仿真实验的可靠性与真实性有了明显的提升。
附图说明
[0027]
图1是仿真平台示意图
具体实施方式
[0028]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0029]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
参照图1，一种基于环模拟器的电液飞行控制系统容错控制仿真方法，包括硬件部分和软件部分。其中，硬件部分包括图形终端(显示屏幕)、工作站、以太网连接通道、第一液压回路和第二液压回路，第一液压回路为飞行控制模拟执行机构，第二液压回路为动态负载模拟器，工作站由工作站ws1、工作站ws2、工作站ws3和工作站ws4组成；软件部分包括f16仿真模型、例程pilot()、例程fcs()、例程hifi_f16()、例程nl_hydraulics()和例程cs_loads()。
[0031]
进一步，第一液压回路作为飞行控制模拟执行机构用于模拟飞机飞行控制执行机构，该回路由一个伺服阀控制的执行机构组成并配备了额外的硬件，能够对与流体动力系统相关的许多故障模式(流体泄漏、执行机构摩擦和液压供应压力变化等)进行实验模拟。
[0032]
进一步，第二个液压回路由伺服阀控制的液压执行机构组成，作为动态负载模拟器并在控制面执行机构上施加干扰负载，以模拟真实的应用场景。
[0033]
进一步，工作站ws1执行f16仿真模型和例程：pilot()、fcs()、hifi_f16()、nl_hydraulics()和cs_loads()。其中，例程pilot()用于从操纵杆/键盘输入设备(用于回路模拟)或准备好的数据文件中读取参考指令的输入程序；例程fcs()用于实现实际f16飞机上使用的增益预定纵向和横向/定向飞行控制系统；例程hifi_f16()用于储存和运行包括发动机动力学在内的亚音速工作包线中f16空气动力学的非线性高保真6自由度(dof)模型；例程nl_hydraulics()用于运行每个控制面执行机构的详细非线性液压执行机构模型；例程cs_loads()用于简化的非线性控制面荷载模型。
[0034]
进一步，工作站ws2用于控制实验液压飞行控制模拟执行机构，即控制第一液压回路。pc端配有一个编码器卡和一个das-16f输入/输出板，在pc、执行机构和仪表之间提供数字—模拟(d/a)和模拟—数字(a/d)接口。
[0035]
进一步，工作站ws3控制动态负载模拟器，即控制第二液压回路。pc端配备有一个das-16f板和一个编码器卡。ws3和负载模拟器硬件构成了一个闭环力控制系统，用于向飞行控制模拟执行机构传递气动负载干扰。
[0036]
进一步，工作站ws4，用于运行一个图形引擎，使飞机的实时运动状态可以在图形
终端查看，图形的可视化能让实验者观察飞机的运动以及由于控制系统的修改而产生的变化。
[0037]
进一步，选用flightgear软件包的图形引擎提供一个基本的模拟器框架。
[0038]
进一步，创建基于详细高保真平坦地球气动模型创建f16气动动态模型。
[0039]
进一步，采用旋转扁球形地球模型将气动模型与飞行齿轮图形引擎正确连接，该模型在地心轴和大地坐标轴上都有飞机重心坐标，并模拟重力谐波效应。
[0040]
进一步，确定飞机控制面的气动干扰负载，并将干扰载荷的大小调整到与环模拟器硬件相兼容的水平，计算式如下：
[0041][0042]
式中：为气动干扰负载，为动压力，ch为非线性铰链力矩系数，α为迎角，δ控制面板偏转，m
*
为乘数，m为马赫数影响系数，k
l
＝2500。
[0043]
进一步，飞机控制面上的气动干扰负载是由运行在ws1上的例程cs_loads()计算的，force命令采用用户数据协议(udp)通过专用以太网通道传输到ws3控制的动态负载模拟器中的力控制器完成数字-模拟(d/a)或模拟-数字(a/d)转换。
[0044]
进一步，采用比例控制器来控制负载模拟器周围的力环，并在反馈路径中实现了低通滤波器以降低传感器噪声。
[0045]
进一步，设计定位实验飞行控制模拟执行机构的控制器，该控制器具有类似于f16飞机上常规飞行控制执行机构的闭环性能。
[0046]
对于正常运行的执行机构，描述液压执行机构的活塞响应控制阀输入u的运动x
p
的非线性状态方程如下：
[0047]
[0048][0049]
上述各式中的相关参数的名称及取值在本发明中的取值如下表所示。
[0050][0051]
进一步，假设活塞在气缸中居中并忽略静摩擦的影响，再利用泰勒级数展开对非线性控制阀进行线性化，描述状态方程如下：
[0052][0053]
式中：下标0表示执行机构室压力随时间演变可重写为使用下标0表示系统已经线性化了。
[0054]
进一步，假设系统从静止开始，因此x
v0
＝ν
ν0
，负载压力p
1-p2＝0，因此p
10
＝p
20
＝ps/2，取计算控制阀流量增益为cf＝1.77m2/sec。
[0055]
进一步，考虑伺服阀内部流体泄漏的影响，假设阀门流量压力系数的较小值取c
p
＝6
×
10-12m3/pa
·
sec。
[0056]
进一步，将(3)带入(2)，并进行拉普拉斯变换，再将所有模型参数的名义数值替换为所有模型参数的实验取值，最后给出了实验飞行控制执行机构的流动名义传递函数如下：
[0057][0058]
进一步，描述f16定子执行机构的闭环模型与实际液压执行机构相似的相位滞后特性如下：
[0059][0060]
式中：δ
h，a
，δ
h，c
是命令和实际控制的表面位移。
[0061]
进一步，设计响应较慢的模拟前缘襟翼执行机构的控制律。前缘襟翼执行机构使用的控制律是振幅控制，速度限制也适用于所有控制面执行机构，如实际的f16配置。
[0062]
参照图1，动态负载模拟器根据指令作出相应的负载模拟并将干扰荷载作用于工作站ws2控制的飞行控制模拟执行机构上。
[0063]
进一步，为了减少飞行控制模拟执行机构运动对动态负载模拟器的影响，飞行控制模拟执行机构的过滤位置被用作辅助控制输入，通过试验和误差确定控制器参数。
[0064]
进一步，控制指令偏差由例程fcs()计算，并采用用户数据协议(udp)通过专用以太网通道传输到ws2控制的飞行控制模拟执行机构中的位置控制器完成数字-模拟(d/a)或模拟-数字(a/d)转换。
[0065]
进一步，闭环位置控制器在软件中实现，das-16f输入/输出板用于向伺服阀发送控制信号，液压执行机构完成指令所控制的动作。udp连路还用于将当前执行机构位置传回例程hifi_f16()，用于更新飞机运行状态。
[0066]
进一步，为了说明环模拟器的操作和适用性，进行了典型迎角α上拉试验。
[0067]
进一步，进行试验。将f16飞机在1524米的高度和0.25马赫的空速下进行1g飞行的离线调整。在这种飞行状态下，α＝12.21
°
，δl h＝δr h＝-3.95
°
，节气门设定值为19.4％。前缘襟翼展开，δlef＝17.90
°
作为α和马赫数的函数。
[0068]
进一步，采用比例控制器来控制负载模拟器周围的力环，并在反馈路径中实现了低通滤波器以降低传感器噪声。
[0069]
进一步，在t＝7秒时命令5度α上拉，t＝15秒时恢复修剪α，实验飞行控制执行机构用于定位左稳定翼。
[0070]
进一步，同样的α上拉试验在离线数值模拟中进行，用实验飞行控制模拟执行机构的非线性模型代替实际的硬件设施。
[0071]
进一步，通过与离线数值模拟得到的飞机状态的时间历程进行比较，二者具有较好的一致性，从而说明本发明的仿真方法具有较好的实用性。

技术特征：
1.基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统，其特征在于，包括图形终端、工作站、第一液压回路、第二液压回路和仿真模型及例程；图形终端、第一液压回路和第二液压回路均连接到仿真模型及例程，图形终端、第一液压回路、第二液压回路和仿真模型及例程上均设置有工作站；第一液压回路用于模拟飞机飞行控制执行机构，第二液压回路用于在控制面执行机构上施加动态干扰负载，以模拟飞机真实的飞行场景；图形终端用于显示；工作站分别用于控制执行f16仿真模型和例程，用于控制第一液压回路和第二液压回路，用于运行图形终端的图形引擎将图形可视化。2.根据权利要求1所述的基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统，其特征在于，工作站包括工作站ws1、工作站ws2、工作站ws3和工作站ws4；工作站ws1执行f16仿真模型和例程；工作站ws2用于控制实验液压飞行控制模拟执行机构，即控制所述第一液压回路，pc端配有一个编码器卡和一个das-16f输入/输出板，在pc端、执行机构和仪表之间提供数字—模拟(d/a)和模拟—数字(a/d)接口；工作站ws3控制动态负载模拟器，即控制所述第二液压回路，pc端配备有一个das-16f板和一个编码器卡，ws3和动态负载模拟器硬件构成了一个闭环力控制系统，用于向飞行控制模拟执行机构施加气动干扰负载；工作站ws4用于运行一个图形引擎将图形可视化。3.根据权利要求2所述的基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统，其特征在于，例程包括例程pilot()、例程fcs()、例程hifi_f16()、例程nl_hydraulics()和例程cs_loads()。4.根据权利要求3所述的基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统，其特征在于，例程pilot()连接例程fcs()，例程fcs()和例程cs_loads()连接到例程nl_hydraulics()，例程hifi_f16()同时连接例程fcs()、例程nl_hydraulics()和例程cs_loads()。5.根据权利要求1所述的基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统，其特征在于，第一液压回路和第二个液压回路分别由伺服阀控制的执行机构组成。6.根据权利要求1所述的基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统，其特征在于，图形终端、第一液压回路、第二液压回路和仿真模型及例程之间均通过以太网连接通道连接。7.基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真方法，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统，包括以下步骤：选用flightgear软件包的图形引擎提供模拟器框架；创建基于详细高保真平坦地球气动模型创建f16气动仿真模型；采用旋转扁球形地球模型将气动模型与飞行齿轮图形引擎正确连接，该模型在地心轴和大地坐标轴上都有飞机重心坐标，并模拟重力谐波效应；确定飞机控制面的气动干扰负载该负载是由运行在ws1上的例程cs_loads()计算，force命令采用用户数据协议udp通过以太网通道传输到ws3控制的动态负载模拟器中的力控制器完成d/a或a/d转换；动态负载模拟器根据指令作出相应的负载模拟并将干扰荷载作用于工作站ws2控制的飞行控制模拟执行机构上；
飞行控制模拟执行机构的过滤位置被用作辅助控制输入，通过试验和误差确定控制器参数；控制指令偏差由例程fcs()计算，并采用用户数据协议udp通过以太网通道传输到ws2控制的飞行控制模拟执行机构中的位置控制器完成d/a或a/d转换；闭环位置控制器在软件中实现，das-16f输入/输出板用于向伺服阀发送控制信号，液压执行机构完成指令所控制的动作；udp通道还用于将当前执行机构位置传回例程hifi_f16()，用于更新飞机运行状态。8.根据权利要求7所述的基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真方法，其特征在于，确定飞机控制面的气动干扰负载于，确定飞机控制面的气动干扰负载式中：为气动干扰负载，为动压力，c
h
为非线性铰链力矩系数，α为迎角，δ控制面板偏转，m
*
为乘数，m为马赫数影响系数，k
l
＝2500。

技术总结
基于环模拟器的电液飞行控制容错控制仿真系统及方法，图形终端、第一液压回路和第二液压回路均连接到仿真模型及例程，图形终端、第一液压回路、第二液压回路和仿真模型及例程上均设置有工作站；第一液压回路用于模拟飞机飞行控制执行机构，第二液压回路用于在控制面执行机构上施加动态干扰负载，以模拟飞机真实的飞行场景；图形终端用于显示；工作站分别用于控制执行F16仿真模型和例程，用于控制第一液压回路和第二液压回路，用于运行图形终端的图形引擎将图形可视化。本发明基于上述软硬件设施对飞机飞行控制进行更加真实的可视化模拟，并与离线数值模拟的结果对比，验证了本发明在实际应用场景中的实用性。明在实际应用场景中的实用性。明在实际应用场景中的实用性。


技术研发人员：刘贞报 贾真 赵闻
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/10/15