CN101122781A - 一种电液伺服飞行仿真器功能模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电液伺服飞行仿真器功能模拟装置。该装置硬件主要由工控机和信号接口箱两部分组成，分别用于模拟含执行机构的电液伺服飞行仿真器特性数字模型和输入输出的外部接口功能；工控机是该功能模拟装置系统的核心，配有基于ISA总线结构的818、726等多功能卡；信号接口箱主要由液压油源模拟板、信号转接板和直流电源板构成，此外还包括了外部信号处理电路以及可模拟油源的液位、压力、球阀、油泵状态的继电器电路。该装置软件采用了模块化设计思想，主要模块包括仿真器数字模型、编码器信号、测速机信号、逻辑量处理及人机交互窗口。该装置具有功能齐全、操作方便、通用性好等优点，完全可以替代实际的电液伺服飞行仿真器。

Description

一种电液伺服飞行仿真器功能模拟装置

(一)技术领域

本发明涉及一种基于模块化设计的电液伺服飞行仿真器功能模拟装置，属于计算机控制技术领域。

(二)背景技术

飞行仿真(Flight Simulation)是以飞行器的运动情况为研究对象、面向复杂系统的仿真，飞行仿真围绕飞行器的研制、生产和使用的全部过程，包括对方案论证、技术指标确定、设计分析、生产制造、试验测试和故障处理等各个阶段进行全面的系统分析和评估，具有成本低、见效快和可重复利用等优点。飞行仿真器是飞行控制系统地面仿真实验中的一种非常关键的大型设备，它能模拟飞行器在空中的各种运动和飞行姿态，其性能的优劣直接关系到飞行仿真和测试试验的可靠性和置信度。

本发明设计开发了一种用于飞行仿真的电液伺服飞行仿真器功能模拟装置，可根据实际情况灵活配置飞行仿真器的特性参数和接口规格，以提供一个半物理仿真实时模拟环境，满足了电液伺服飞行仿真器控制系统研制或改造的需要。本发明将能有效提高电液伺服飞行仿真器控制系统的开发效率，缩短飞行仿真器控制系统的研制周期。该功能模拟装置具有功能齐全、操作方便、通用性好等优点，完全可以替代实际的电液伺服飞行仿真器，极大地提高了研制效率，具有重大的经济价值和推广价值。

(三)发明内容

本发明一种电液伺服飞行仿真器功能模拟装置，该模拟装置的发明内容具体如下：

电液伺服飞行仿真器是一种电气液压随动系统。在这种系统中，电气部件作为系统传递信号、放大信号和进行各种反馈用；液压部件作为功率放大和执行机构。这类飞行仿真器综合了电气和液压的优点，既能产生很大的力和力矩，又具有高精度、反应快和便于加各种校正等优点。该系统的基本组成如图1所示。

电子放大部分主要是把电压量进行放大，然后再将其转换为电流量，在这中间可以再加一些系统所需要的校正回路以提高系统的特性；电液伺服阀-液压马达部分主要进行功率放大，把液压能转换为机械能以产生力矩拖动框架和负载运动；反馈元件主要包括测速机、光电轴角编码器等传感器，通过速度传感器测速机反馈的转速信号构成电液伺服飞行仿真器的速度闭环，由位置传感器光电轴角编码器反馈的位置信号构成了电液伺服飞行仿真器的位置闭环，从而形成对电液伺服飞行仿真器双闭环控制，提高了飞行仿真器的控制精度。此外，电液伺服飞行仿真器还包括行程开关输出信号、液压油源的状态指示等外部接口，当飞行仿真器处于超行程状态或液压油源故障时，发出相应报警信号并切断电源，从而起到保护功能。

以典型的电液伺服飞行仿真器为例，其执行机构特性可以由以下二阶振荡环节的数学模型近似表示：

电液伺服阀数学模型：

$G_s\left(s\right)=\frac{K_v}{S^2/{\mathrm{\ω}}_v^2+2{\mathrm{\ζ}}_{v}S/{\mathrm{\ω}}_v+1}---\left(1\right)$

液压马达数学模型：

$G_m\left(s\right)=\frac{1/D_m}{S^2/{\mathrm{\ω}}_h+2{\mathrm{\ξ}}_{h}S/{\mathrm{\ω}}_h+1}---\left(2\right)$

电液伺服飞行仿真器框架特性数学模型：

$G_f\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{TS}+1}---\left(3\right)$

其中K_v、ω_v、ξ_v分别表示电液伺服阀的流量系数、固有频率和阻尼系数；D_m、ω_h、ξ_h分别表示液压马达的排量、固有频率和阻尼系数；T表示时间常数。

由控制系统的功放出来的电压信号经电子放大部分控制电液伺服阀的开度，从而控制油的流量，通过油的流量调节液压马达的输出力矩，以达到调节电液伺服飞行仿真器转速的目的。一般来说，电液伺服阀的响应较快，而执行机构液压马达的固有频率是整个控制回路中最低的。

根据以上原理，本发明的具体技术方案如下：

本发明一种基于模块化设计的电液伺服飞行仿真器的功能模拟装置，主要包括硬件系统和软件系统两大部分，其中硬件系统主要由工控机和接口箱两部分组成，而软件部分则采用了模块化设计(Modularization Design)思想。

(一)功能模拟装置硬件系统设计：

该电液伺服飞行仿真器功能模拟装置系统主要有两部分构成：

(1)可模拟含执行机构的电液伺服飞行仿真器特性数字模型的工控机；

(2)可模拟外部接口功能的电液伺服飞行仿真器输入输出信号接口箱。

其功能模拟装置系统原理如图2所示。

工控机是该功能模拟装置系统的核心，它配有Evoc公司基于ISA总线结构的818、726等多功能卡。818卡可进行A/D变换并采集控制电流信号，然后将该信号作用于含执行机构的电液伺服飞行仿真器特性数字模型以得到位置和速度。速度信号由726卡的D/A变换输出，模拟了电液伺服飞行仿真器的测速机反馈。越位信号由726卡的DO输出通道和信号接口箱内的继电器处理电路模拟。由818卡的DO输出通道模拟了光电轴角编码器的脉冲信号，而818卡的DI通道采集的是液压油源状态。

信号接口箱主要由液压油源模拟板、信号转接板和直流电源板构成，此外还包括了外部信号处理电路以及可模拟油源的液位、压力、球阀、油泵状态的继电器电路。液压油源的运行状态模拟主要是通过继电器和信号接口箱控制面板上的按钮共同完成，并可通过控制面板上的指示灯指示。

(二)功能模拟装置软件实现：

为了使电液伺服飞行仿真器功能模拟装置的系统软件易维护，具有可重构性和可扩充性，该功能模拟装置系统软件采用了模块化设计思想，其流程如图3所示。主要模块包括如下：

(1)电液伺服飞行仿真器特性数字模型

含执行机构的电液伺服飞行仿真器特性数字模型的已知变量为电流信号，反馈变量是速度和位置信号。在该模型中调用了四个模块：818卡采集电流量模块、电液伺服阀特性模块、液压马达特性模块及电液伺服飞行仿真器框架特性模块。由于执行机构和电液伺服飞行仿真器框架近似为二阶振荡环节和惯性环节，其相应模块可采用连续系统的数值积分法实现。在程序中，将参数K_v、ω_v、ξ_v、D_m、ω_h、ξ_h、T定义为可由键盘键入得到变量，这样在应用过程中可以根据实际需要对参数进行选择，可使电液伺服飞行仿真器功能模拟装置配置灵活。

(2)光电轴角编码器信号

光电轴角编码器信号分A+/-、B+/-和Z+/-，根据A相、B相脉冲的相位可以判别电液伺服飞行仿真器相应框架的旋转方向：当光源先检测到A脉冲上升沿，然后才检测到B脉冲上升沿，则表示相应框架正转；反之，若先检测到B脉冲上升沿，然后才检测到A脉冲上升沿，则表示相应框架反转。

当正转时，A相脉冲超前B相90°；反之，B相脉冲超前A相90°；清零脉冲Z通过设置键盘功能键获得，当检测到有“清零”标志时将Z脉冲的对应输出位置高电平。其编码时序如图4所示。

由于光电轴角编码器的脉冲信号主要是由818数据采集卡DO来模拟实现的，所以对脉冲信号的编码也就是对818卡输出端口数据的编码。实际系统所采用的光电轴角编码器是每转产生18000个脉冲的高精度轴角编码器，因此可根据公式(4)算得脉冲周期(T的单位：ms；v的单位：°/s)。

$T=\frac{1000}{\frac{v}{360}.1800}---\left(4\right)$

为了保证系统的实时性，在模拟实际光电轴角编码器脉冲信号时，将轴角编码器脉冲信号的处理在中断服务程序实现，可以根据不同的转速，输出相应周期的脉冲信号。本系统采用的定时中断是通过改写定时器通道0来实现。实现步骤是：

<1>保存原中断向量；

<2>重新对定时器通道0进行编程，实现每0.1ms中断一次，设置新的中断向量为中断服务程序入口地址；

<3>在程序退出前恢复原中断向量。

(3)测速机信号

将电液伺服飞行仿真器特性数字模型功能模块返回的信号经速度解算后通过726卡的D/A通道输出，实现对测速机反馈信号模拟。

(4)逻辑量处理

行程开关状态是通过比较模拟的实际位置信号与行程设置信号，输出“1”表示模拟的实际位置大于设定值，反之，输出“0”表示模拟的实际位置小于设定值。逻辑量通过多功能采集卡的DO输出，液压油源状态的处理也是采用这种方式。

(5)人机交互窗口

人机交互窗口是通过调用TC025库函数来实现图形界面，主要包括有自动/手动的切换、手动电流给定的设置、位置/速度的数字显示、位置刻度表显示以及行程越位和油源故障的报警。当处于手动状态时，通过键盘输入电流大小；当处于自动状态时，则通过调用818卡A/D转换模块采集电液伺服阀电流信号。当模拟位置超出所设定的行程范围或油源出现故障时，软件界面上的相应报警指示灯亮。通过对中断的计数，每10ms刷新一次窗口界面。

本发明一种基于模块化设计的电液伺服飞行仿真器功能模拟装置，其优点及所达成的功效是：可根据实际情况灵活配置飞行仿真器的特性参数和接口规格，以提供一个半物理仿真实时模拟环境，满足了电液伺服飞行仿真器控制系统研制或改造的需要。本发明将能有效提高电液伺服飞行仿真器控制系统的开发效率，缩短飞行仿真器控制系统的研制周期。该功能模拟装置具有功能齐全、操作方便、通用性好等优点，完全可以替代实际的电液伺服飞行仿真器，极大地提高了研制效率，具有重大的经济价值和推广价值。

(四)附图说明

图1电液伺服飞行仿真器系统原理

图2功能模拟装置系统原理

图3电液伺服飞行仿真器功能模拟装置软件流程

图4光电轴角编码器脉冲编码时序

图5(a)、(b)功能模拟装置实时仿真跟踪曲线

图中标号及符号说明如下：

e——误差信号  D/A——数/模转换  A/D——模/数转换

DO——数字输出 DI——数字输入

(五)具体实施方式

本发明一种基于模块化设计的电液伺服飞行仿真器的功能模拟装置，主要包括硬件系统和软件系统两大部分，其中硬件系统主要由如下两部分组成：

(1)可模拟含执行机构的电液伺服飞行仿真器特性数字模型的工控机。工控机是该功能模拟装置系统的核心，它配有Evoc公司基于ISA总线结构的818、726等多功能卡。818卡可进行A/D变换并采集控制电流信号，然后将该信号作用于含执行机构的电液伺服飞行仿真器特性数字模型以得到位置和速度。速度信号由726卡的D/A变换输出，模拟了电液伺服飞行仿真器的测速机反馈。越位信号由726卡的DO输出通道和信号接口箱内的继电器处理电路模拟。由818卡的DO输出通道模拟了光电轴角编码器的脉冲信号，而818卡的DI通道采集的是液压油源状态。

(2)可模拟外部接口功能的电液伺服飞行仿真器输入输出信号接口箱。信号接口箱主要由液压油源模拟板、信号转接板和直流电源板构成，此外还包括了外部信号处理电路以及可模拟油源的液位、压力、球阀、油泵状态的继电器电路。液压油源的运行状态模拟主要是通过继电器和信号接口箱控制面板上的按钮共同完成，并可通过控制面板上的指示灯指示。

软件系统：该功能模拟装置系统软件采用了模块化设计思想，其流程如图3所示。主要模块包括如下：

(1)电液伺服飞行仿真器特性数字模型

含执行机构的电液伺服飞行仿真器特性数字模型的已知变量为电流信号，反馈变量是速度和位置信号。在该模型中调用了四个模块：818卡采集电流量模块、电液伺服阀特性模块、液压马达特性模块及电液伺服飞行仿真器框架特性模块。由于执行机构和电液伺服飞行仿真器框架近似为二阶振荡环节和惯性环节，其相应模块可采用连续系统的数值积分法实现。在程序中，将参数K_v、ω_v、ξ_v、D_m、ω_h、ξ_h、T定义为可由键盘键入得到变量，这样在应用过程中可以根据实际需要对参数进行选择，可使电液伺服飞行仿真器功能模拟装置配置灵活。

(2)光电轴角编码器信号

光电轴角编码器信号分A+/-、B+/-和Z+/-，根据A相、B相脉冲的相位可以判别电液伺服飞行仿真器相应框架的旋转方向：当光源先检测到A脉冲上升沿，然后才检测到B脉冲上升沿，则表示相应框架正转；反之，若先检测到B脉冲上升沿，然后才检测到A脉冲上升沿，则表示相应框架反转。

当正转时，A相脉冲超前B相90°；反之，B相脉冲超前A相90°；清零脉冲Z通过设置键盘功能键获得，当检测到有“清零”标志时将Z脉冲的对应输出位置高电平。其编码时序如图4所示。

由于光电轴角编码器的脉冲信号主要是由818数据采集卡DO来模拟实现的，所以对脉冲信号的编码也就是对818卡输出端口数据的编码。

为了保证系统的实时性，在模拟实际光电轴角编码器脉冲信号时，将轴角编码器脉冲信号的处理在中断服务程序实现，可以根据不同的转速，输出相应周期的脉冲信号。本系统采用的定时中断是通过改写定时器通道0来实现。实现步骤是：

<1>保存原中断向量；

<2>重新对定时器通道0进行编程，实现每0.1ms中断一次，设置新

的中断向量为中断服务程序入口地址；

<3>在程序退出前恢复原中断向量。

(3)测速机信号

将电液伺服飞行仿真器特性数字模型功能模块返回的信号经速度解算后通过726卡的D/A通道输出，实现对测速机反馈信号模拟。

(4)逻辑量处理

行程开关状态是通过比较模拟的实际位置信号与行程设置信号，输出“1”表示模拟的实际位置大于设定值，反之，输出“0”表示模拟的实际位置小于设定值。逻辑量通过多功能采集卡的DO输出，液压油源状态的处理也是采用这种方式。

(5)人机交互窗口

人机交互窗口是通过调用TC025库函数来实现图形界面，主要包括有自动/手动的切换、手动电流给定的设置、位置/速度的数字显示、位置刻度表显示以及行程越位和油源故障的报警。当处于手动状态时，通过键盘输入电流大小；当处于自动状态时，则通过调用818卡A/D转换模块采集电液伺服阀电流信号。当模拟位置超出所设定的行程范围或油源出现故障时，软件界面上的相应报警指示灯亮。通过对中断的计数，每10ms刷新一次窗口界面。

将所发明的功能模拟装置应用于某型电液伺服飞行仿真器并进行实时仿真试验。图5(a)是输入信号为频率0.3Hz、幅值10°三角波时的跟踪曲线；图5(b)是输入信号为频率0.5Hz、幅值31°正弦波时的跟踪曲线。由图5可见，该功能模拟装置的状态跟踪误差很小，对输入信号的动态响应快，具有很高的伺服精度。

该功能模拟装置已经成功应用于电液伺服飞行仿真器的研制。实际应用证明该功能模拟装置具有功能齐全、操作方便、通用性好等优点，完全可以替代实际的电液伺服飞行仿真器，极大地提高了研制效率，具有重大的经济价值和推广价值。

Claims (1)

1.一种基于模块化设计的电液伺服飞行仿真器的功能模拟装置，其特征在于：它主要包括硬件系统和软件系统两大部分，其中硬件系统主要由工控机和接口箱两部分组成，而软件部分则采用了模块化设计思想；

(一)功能模拟装置硬件系统设计：

该电液伺服飞行仿真器功能模拟装置系统主要有两部分构成：

(1)可模拟含执行机构的电液伺服飞行仿真器特性数字模型的工控机；

(2)可模拟外部接口功能的电液伺服飞行仿真器输入输出信号接口箱；

工控机配有基于ISA总线结构的818、726等多功能卡，该818卡可进行A/D变换并采集控制电流信号，然后将该信号作用于含执行机构的电液伺服飞行仿真器特性数字模型以得到位置和速度，速度信号由726卡的D/A变换输出，模拟了电液伺服飞行仿真器的测速机反馈，越位信号由726卡的DO输出通道和信号接口箱内的继电器处理电路模拟，由818卡的DO输出通道模拟了光电轴角编码器的脉冲信号，而818卡的DI通道采集的是液压油源状态；

信号接口箱主要由液压油源模拟板、信号转接板和直流电源板构成，此外还包括了外部信号处理电路以及可模拟油源的液位、压力、球阀、油泵状态的继电器电路，液压油源的运行状态模拟主要是通过继电器和信号接口箱控制面板上的按钮共同完成，并可通过控制面板上的指示灯指示；

(二)功能模拟装置软件实现：

该功能模拟装置系统软件采用了模块化设计思想，主要模块包括如下：

(1)电液伺服飞行仿真器特性数字模型：

含执行机构的电液伺服飞行仿真器特性数字模型的已知变量为电流信号，反馈变量是速度和位置信号，在该模型中调用了四个模块：818卡采集电流量模块、电液伺服阀特性模块、液压马达特性模块及电液伺服飞行仿真器框架特性模块，由于执行机构和电液伺服飞行仿真器框架近似为二阶振荡环节和惯性环节，其相应模块可采用连续系统的数值积分法实现；在程序中，将参数K_v、ω_v、ξ_v、D_m、ω_h、ξ_h、T定义为可由键盘键入得到变量，这样在应用过程中可以根据实际需要对参数进行选择，可使电液伺服飞行仿真器功能模拟装置配置灵活；

(2)光电轴角编码器信号：

光电轴角编码器信号分A+/-、B+/-和Z+/-，根据A相、B相脉冲的相位可以判别电液伺服飞行仿真器相应框架的旋转方向：当光源先检测到A脉冲上升沿，然后才检测到B脉冲上升沿，则表示相应框架正转；反之，若先检测到B脉冲上升沿，然后才检测到A脉冲上升沿，则表示相应框架反转；

当正转时，A相脉冲超前B相90°；反之，B相脉冲超前A相90°；清零脉冲Z通过设置键盘功能键获得，当检测到有“清零”标志时将Z脉冲的对应输出位置高电平；

由于光电轴角编码器的脉冲信号主要是由818数据采集卡DO来模拟实现的，所以对脉冲信号的编码也就是对818卡输出端口数据的编码，实际系统所采用的光电轴角编码器是每转产生18000个脉冲的高精度轴角编码器，因此可根据下列公式(4)算得脉冲周期为：

$T=\frac{1000}{\frac{v}{360}\&CenterDot;1800}---\left(4\right)$

为了保证系统的实时性，在模拟实际光电轴角编码器脉冲信号时，将轴角编码器脉冲信号的处理在中断服务程序实现，可以根据不同的转速，输出相应周期的脉冲信号，本系统采用的定时中断是通过改写定时器通道0来实现，实现步骤是：

<1>保存原中断向量；

<2>重新对定时器通道0进行编程，实现每0.1ms中断一次，设置新的中断向量为中断服务程序入口地址；

<3>在程序退出前恢复原中断向量；

(3)测速机信号：

将电液伺服飞行仿真器特性数字模型功能模块返回的信号经速度解算后通过726卡的D/A通道输出，实现对测速机反馈信号模拟；

(4)逻辑量处理：

行程开关状态是通过比较模拟的实际位置信号与行程设置信号，输出“1”表示模拟的实际位置大于设定值，反之，输出“0”表示模拟的实际位置小于设定值，逻辑量通过多功能采集卡的DO输出，液压油源状态的处理也是采用这种方式；

(5)人机交互窗口：

人机交互窗口是通过调用TC025库函数来实现图形界面，主要包括有自动/手动的切换、手动电流给定的设置、位置/速度的数字显示、位置刻度表显示以及行程越位和油源故障的报警；当处于手动状态时，通过键盘输入电流大小；当处于自动状态时，则通过调用818卡A/D转换模块采集电液伺服阀电流信号；当模拟位置超出所设定的行程范围或油源出现故障时，软件界面上的相应报警指示灯亮，通过对中断的计数，每10ms刷新一次窗口界面。

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