飛行模擬器滑油壓力表仿真器設(shè)計(jì)
針對某型飛機(jī)飛行模擬器儀表系統(tǒng)的特點(diǎn)，以滑油壓力表為例，對常用電流比值表 仿真器進(jìn)行了研究，提出了利用同步器代替實(shí)裝傳感器的實(shí)施方案，并給出了基于CAN總 線的同步器實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)踐證明，該仿真器精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、擴(kuò)展靈活，具有通用性和實(shí) 用性等特點(diǎn)。
飛機(jī)儀表是人與飛機(jī)的交互界面，為飛行員提 供飛機(jī)的高度、空速、升降速度、航向、姿態(tài)及發(fā)動(dòng) 機(jī)的工作狀態(tài)等信息。在實(shí)際飛行中，特別是在復(fù) 雜氣象條件下飛行時(shí)，飛機(jī)儀表的地位尤為重要。 同時(shí)“儀表飛行”也是飛行訓(xùn)練的一個(gè)重要課目。因 此，在飛行模擬器的設(shè)計(jì)過程中，儀表仿真系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)是影響飛行模擬器性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。
儀表仿真系統(tǒng)就是在感觀上給飛行員創(chuàng)造一 種與真實(shí)飛機(jī)一樣的儀表環(huán)境，從而與視景系統(tǒng)相 配合模擬出飛機(jī)的飛行環(huán)境。由于儀表仿真系統(tǒng)需要模擬真實(shí)儀表的工作，因此在儀表仿真系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)過程中，盡量采用實(shí)裝儀表的指示器，以達(dá)到最佳 的仿真效果。
在某型飛機(jī)飛行模擬器的研制過程中，由于滑 油壓力表、汽油壓力表、進(jìn)氣溫度表及燃油油量表等 電流比值表的原理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對實(shí)裝指示器的改造 工藝?yán)щy、成本高，因此采用同步器直接驅(qū)動(dòng)實(shí)裝指 示器的方式來實(shí)現(xiàn)此類儀表的仿真，其特點(diǎn)是電路簡單，工作可靠，仿真效果良好。本文僅以滑油壓力 表為例，給出通用電流比值表仿真器的設(shè)計(jì)方法。
1.工作原理
1.1 基本原理
滑油壓力表主要由傳感器和指示器兩部分組 成，傳感器內(nèi)主要有金屬膜片（或膜盒）、傳送機(jī)構(gòu) 和電位器，用來感受滑油壓力的大小并輸出相應(yīng)的 電信號；指示器主要是一個(gè)雙線框的電流比值表， 將傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換為兩線框的電流比值， 使指針在刻度盤上指示出被測滑油壓力的大小。電 路圖如圖1所示。
滑油壓力表的電路是一個(gè)電橋。其中，Ri、R2是 固定臂阻，Rx、Ry是可變臂阻，R3、R4是溫度補(bǔ)償電 阻，丨、II代表線框，R5是線框II的補(bǔ)助電阻。電流 從電源正極進(jìn)入電橋后分為三路，中間一路電流經(jīng) 電阻R3和R4再分為兩路，分別流過丨、丨丨線框。兩 線框電流的比值取決于A、C兩點(diǎn)的電位，A、C兩點(diǎn) 的電位則取決于電位器電刷D在電阻上的位置，即 取決于可變電阻Rx、Ry的大小。兩線框的合成磁場 的方向取決于線框丨、丨丨的電流比值(/2從），也就是 說指針位置取決于線框丨、II的電流比值。
1.2電流比值公式
為了方便分析，圖1的等效電路如圖2所示。 設(shè)兩線框的電阻值均為r( II線框的電阻r含補(bǔ)助電 阻R5)，補(bǔ)償電阻R3+R4=Rb，則可列出如下方程組： (/i+/2)R6+/i r—ii Ri_0
(K/1+/2)Rb+/2 r-i2 R2_0 (1)
I# r+(/2+/i)Ry-(/i+/2)Rx-/i r=0
解方程組（i)可得：
/2 R1R2 r+RxRiR2+RxrR2+RbRxR2-R&RyRi /i R1R2 r+RyR iR2+RyrR i+R^RyR i-RbRxR2 當(dāng)可簡化為
(3)
固定臂阻R是不變的，在一定的溫度下，線框 電阻r和溫度補(bǔ)償電阻Rb也是不變的，由式（3)可 知，這時(shí)兩線框的電流比值只與可變電阻Rx、Ry有 關(guān)，與電源電壓的大小無關(guān)。
令RjRyzRd，則式（3)可變?yōu)?
h Rr-RbRd+(R+r+2Rb)Rx (4)
/i _Rr+(R+r+Rb)Rd-(R+r+2Rb)Rx (4)
目前飛機(jī)上通用電流比值表各電阻值一般為 R_i200n、Rx+Ry_255n、r_280n(其中 R5=60Q)、穴3= 3300、R4_2i20n，于是可得電流比值(/2//i)以Rx為 輸入的變化曲線如圖3所示。
2.同步器設(shè)計(jì)
從滑油壓力表的基本原理不難看出，當(dāng)滑油壓 力發(fā)生變化時(shí)，金屬膜片將會變形而產(chǎn)生位移量，并 通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將位移量傳送給電位器，使指示器中 的線框丨、丨丨的電流比值(/2//i)發(fā)生變化，從而表示出滑油壓力的變化。本文所設(shè)計(jì)的滑油壓力表仿真 器由同步器和實(shí)裝指示器兩部分組成，利用同步器 替代傳感器來驅(qū)動(dòng)實(shí)裝指示器以方便控制。同步器 主要有電位器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（減速齒輪）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單 元(步進(jìn)電機(jī))和控制模塊四部分組成。結(jié)構(gòu)框圖如 圖4所示。
2.1驅(qū)動(dòng)單元的選擇
電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元是帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)而帶動(dòng)電位 器旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力裝置。電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī) 是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，輸出與輸入 數(shù)字脈沖對應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件，具有快速啟動(dòng)和停 止的能力。當(dāng)負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn) 矩值時(shí)，它能在瞬間實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止。步矩角和轉(zhuǎn) 速在最大負(fù)載內(nèi)不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響， 也不受環(huán)境條件如溫度、振動(dòng)等的影響，僅與脈沖 頻率有關(guān)。在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不 會長期積累。只需要兩路邏輯脈沖信號驅(qū)動(dòng)，便可 將數(shù)字信號直接準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為模擬指示輸出，所以 本系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)作為仿真同步器的驅(qū)動(dòng)單元。
2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括減速齒輪、支架、軸承等。步 進(jìn)電機(jī)輸出軸通過減速齒輪與電位器的轉(zhuǎn)軸相聯(lián)。 電位器的輸出信號一面驅(qū)動(dòng)實(shí)裝指示器的指示，另 一方面又可作為步進(jìn)電機(jī)的位置反饋信號，以消除 因步進(jìn)電機(jī)丟步所造成的儀表指示上的誤差。
2.3控制模塊的設(shè)計(jì)
控制模塊主要是一只基于CAN總線的步進(jìn)電 機(jī)控制器，用于接收飛行模擬器儀表控制系統(tǒng)信 號、控制步進(jìn)電機(jī)等。選擇CAN總線是因?yàn)樵谀壳?/span> 常用的工業(yè)現(xiàn)場總線中，CAN總線具有實(shí)時(shí)性好、 抗干擾性和可靠性高、機(jī)制靈活和易于擴(kuò)充等優(yōu) 點(diǎn)。另外，由于CAN總線特有的非破壞性的總線競 爭仲裁方式，使其具有比其它總線更明顯的優(yōu)勢。
控制模塊的硬件部分主要是指節(jié)點(diǎn)微處理器 與CAN總線通信控制器之間的接口電路、CAN總 線通信控制器與收發(fā)器之間的接口電路、微處理單片機(jī)首先通過CAN收發(fā)器接收飛行模擬器 儀表控制系統(tǒng)發(fā)出的滑油壓力信號，并與步進(jìn)電機(jī) 的位置信號進(jìn)行比較，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)所需動(dòng)作的 角位移，然后控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，使實(shí)裝指示器 指示出當(dāng)前的滑油壓力?？刂颇K所采用的CAN收 發(fā)器為PCA82C250，模塊控制器采用80C51單片 機(jī)，總線控制器為SJA1000。
控制模塊的軟件設(shè)計(jì)包括四部分內(nèi)容：系統(tǒng)初 始化、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)采集和步進(jìn)電機(jī)控制。流程 圖如圖6所示。
2.4插值算法的選擇
滑油壓力表為典型的非線性系統(tǒng)，為了減少非 線性導(dǎo)致的測量誤差，通常采用分段線性插值或牛 頓插值多項(xiàng)式的方法來修正，但比較牛頓插值多項(xiàng) 式的方法，分段線性插值更優(yōu)越，因?yàn)橹灰黾訙y量數(shù)據(jù)點(diǎn)，總可以使誤差隨測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的增多而趨于 零。因此，本文采用分段線性插值法實(shí)現(xiàn)對滑油壓 力表指示器的控制。考慮到節(jié)省運(yùn)算量，同時(shí)又保 證插值的準(zhǔn)確度，可以將壓力測量范圍根據(jù)所要求 的測量準(zhǔn)確度分為若干個(gè)采樣點(diǎn)，對相鄰兩個(gè)采樣 點(diǎn)進(jìn)行線性插值。對于某型飛機(jī)，滑油壓力表的測 量范圍為0?15 kg/cm2，測量精度為1 kg/cm2，因此米 樣點(diǎn)間隔可選擇1 kg/cm2，結(jié)果如表1所示，其中 HYdi為采樣點(diǎn)壓力值（指示器指示值），Urf1為采樣 點(diǎn)所對應(yīng)的Rx兩端電壓值。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)表1制成插值表，便可對滑油壓力表指示 器進(jìn)行控制。為了驗(yàn)證本仿真器的仿真效果，以采 樣點(diǎn)為測試點(diǎn)，從飛行模擬器儀表控制系統(tǒng)發(fā)出不 同的滑油壓力信號，并對測試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，實(shí) 驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其中HYd2為測試點(diǎn)壓力值（由儀表控制系統(tǒng)發(fā)出），Ud2為測試點(diǎn)所對應(yīng)的Rx兩端 電壓值。表1與表2的比較曲線如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明，本仿真器能夠比較準(zhǔn)確地模擬滑油壓力表 的指示情況。
本仿真器已成功應(yīng)用于某型飛機(jī)飛行模擬器的 研制，實(shí)踐證明該系統(tǒng)通信可靠、性能穩(wěn)定，仿真程 度高，完全適合模擬飛行訓(xùn)練的需要。
4.結(jié)語
本文以滑油壓力表為例，分析了電流比值表仿 真器的實(shí)現(xiàn)方法，使飛行模擬器儀表控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 了對電流比值表指示的閉環(huán)控制，在通用性和模塊 化方面具有良好的特性，大大簡化了飛行模擬器的 研制工藝，也提高了儀表仿真系統(tǒng)的可靠性，具有廣 泛的推廣價(jià)值。
