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1、第17卷 第4期 1999年12月飞 行 力 学V o l. 17 N o. 4FL IGH T D YN AM IC S D ec. 1999 多型飞控系统模拟器的设计王涛吴文海(海军航空技术学院, 青岛, 266041)摘 要 针对多型飞控系统模拟器的硬件设计, 对模拟座舱、计算机网络系统和控制显示部 分进行了较详细的介绍。着重分析了该系统软件设计中的软件结构及任务计算机模块、 仿真计算 机模块、仪表计算机模块和视景计算机模块所完成的功能, 并对所采用的关键技术进行了论述。经 反复调试和实验, 该系统性能稳定、工作可靠, 可用于多种飞机飞行控制及飞行力学研究。关键词 飞行控制 计算机网络
2、仿真 控制律引言近几年来, 海军航空兵的装备有很大的发展, 一些高性能的新型飞机和特种飞机相继装备部队。这些高性能的飞机和配有多种先进设备的特种飞机, 对飞行控制系统提出了 新的要求, 使飞行控制系统在飞机上所起的作用和功能发生了很大的变化, 由此对学校 教学也提出了更高的要求。由于种种原因, 不可能在短期内给学校教学提供新型飞机飞控 系统。因此, 自行研制训练模拟器是解决院校教学装备落后的一种多、快、好、省的途径。 多型飞机飞行控制系统模拟器的设计思想是采用当代先进的计算机技术, 对固定翼 飞机和直升机的飞行性能及其飞行控制系统的控制性能进行全数字实时仿真, 配合仪表、 视景图像的实时显示,
3、 真实形象地反映飞行的全过程。它既要适用于飞行控制系统的教学 和理论研究, 又要适用于飞行力学的教学和理论研究。目前, 国外的模拟器一般为单机型、 单功用系统, 多用于飞行员训练, 造价昂贵。本训练模拟器是结合国内现状研制的多机型、 多功能仿真系统, 具有造价低廉的特点。本文从模拟器的硬件和软件两方面分别予以介绍。模拟器的硬件设计1模拟器的硬件结构可以分成三部分。第一部分为模拟座舱, 主要由操纵装置及传感器、左右控制面板和大屏幕显示器组成; 第二部分为计算机网络系统, 由仿真计算机、任1999205223收到初稿, 1999208209收到修改稿。(1)模拟座舱:为了便于教学, 驾驶舱采取开放
4、式, 驾驶杆、脚油门杆等操纵部件采用飞机的实装部件, 仪表板中为虚拟仪表显示器。显示器左侧为l 、 型飞行控制统的控制面板, 右侧为 型飞行控制系统的控制面座舱布局图如图1所示。驾驶杆、脚蹬、油门杆、总距杆等操纵部件的操信号由相应的位置传感器以模拟量形式送到仿真计机的A D 接口; 飞行控制系统的状态则以开关量的式送到仿真计算机的D I 接口, 其状态显示又由仿计算机的D O 接口输出,示出来。在飞控系统的控制面板上图1 座舱布局图计算机网络系统:(2)计算机网络系统由四台计算机组成, 它们之间通过计算机内部的网卡和集线(HU B ) 组成星型网络, 从而实现四台计算机之间的数据通讯。网络硬件
5、采用3COM软件采用N OV EL L 网的 IPX 协议。(3) 控制显示部分:整个系统配置有三个控制机柜, 三个机柜的分工如下:网l 号机柜: 该机柜主要由控制显示面板和仿真计算机组成。其中控制显示面板主由硬件完成模拟器的以下功能: 模拟器供电控制; 启动自动驾驶仪; 启动记录系统;障种类设置; 仿真教学方式选择; 自动飞机飞机+ 飞控系统选择; 自动驾驶仪类型择; 飞行状态选择; 风量、 风向选择; 故障通道选择; 飞行参量的输出; 模拟器状态示; 各型驾驶仪状态显示。 号机柜: 该机柜主要由调参面板和任务计算机组成。其中调参面板由64个多圈密电位计组成。通过这些电位计, 从硬件上实现了
6、对飞机和直升机气动参数以及对三种控系统的各个传动比系数的调整。任务计算机选用的是高可靠性的工业控制计算机, 内置两块硬件接口板和一块用通讯的网卡。它主要完成以下功能: 模拟器的软件任务调度; 软件用户界面的输入; 硬调参数据的采集; 各种参数曲线的显示; 网络通讯。 号机柜: 该机柜主要由视景计算机和仪表计算机组成。视景计算机采用的IBM 2300GL 计算机, 可实现以下功能: 实时显示飞机的运动状态和视景; 支持三种视(从座舱内看景物、从机尾看飞机、从机头看飞机) ; 用平显显示当前飞机飞行的状态;由于整个系统的输入输出信息量很大, 因此软件的编写成为研制过程的主要任务。模拟器的软件设计2
7、该模拟器的软件平台为W in dow s 95,模拟器的所有软件均建立在该平台上。在软件编写过程中,使用了V C 510, V B 510和 C 2b u ilde r 等软件。所有的软件均使用统一的变量名形式, 所有的程序都为32位代码, 提高了与W in dow s 95的兼容性和运行速度。四台计算机通过网络联系在一起, 分别完成一个仿真周期内的工作。任务计算机主要 完成对仿真方式、 机型、 飞控类型的选择, 在软件方式下, 完成座舱的功能; 仿真计算 机主要完成气动方程和飞控控制律的解算, 并负责完成对座舱和模态显示的信号采集和输出; 视景计算机主要完成飞机图像的变换和视景显示; 仪表计
8、算机主要完成座舱内各 仪表的数据显示。仿真计算的步长为10 m s, 视景的刷新率为25 fs, 仪表的刷新率为25 fs。飞行开始 后, 仿真计算机每隔20 m s 向任务计算机传递一次数据; 任务计算机每隔40 m s 向仿真计 算机传递一次数据, 每隔40 m s 向仪表计算机传递一次数据, 每隔40 m s 向视景计算机传递一次数据。211软件结构所有的软件均采用模块化设计, 以便于调试和移植。从总的方面看, 该模拟器包含以下主要的程序模块:(1) 任务程序模块。主要完成对仿真方式、 机型、 人工与自动控制的选择。在软件方 式下, 完成座舱的功能;方程解算程序模块。完成气动方程和飞行控
9、制律的解算;控显程序模块。完成对座舱和模态显示信号的采集和输出; 虚拟仪表程序模块。完成座舱内各仪表的数据显示; 视景程序模块。完成飞机图像的变换和视景显示。(2)(3) (4) (5)212软件模块功能(1) 任务计算机软件功能:提供视景编辑器编辑视景;提供表格编辑器输入用户自定义的飞机气动参数及自动驾驶仪参数;显示曲线时, 可以选择单曲线图和多曲线图方式。在单曲线图方式下, 显示曲线数 量可选; 在多曲线方式下, 一屏显示一幅, 采用相对量方式。单曲线图和多曲线图均可送 至打印机打印输出;提供用户曲线显示方案, 以选择需要观察的飞机状态变量;提供软件硬件方式切换开关, 实现两种方式的转换;
10、将保存的有关飞机状态数据驱动视景运动, 实现视景重放。(2) 仿真计算机软件功能:在飞行仿真中, 飞机的初始位置位于机场的跑道上, 高度、速度为零。仿真计算机整个飞行过程中使用的气动参数随飞机状态的变化而变化。在教学研究中, 飞机的初始状态由用户选择的飞行状态决定。用户可以选择5个典状态。同时, 用户可以使用自定义的一个状态, 该状态的数据由用户自己输入。此时仿计算机在整个飞行过程中仅使用该状态的气动参数。具体功能可归纳为以下几点:通过网络接收任务计算机的数据;使用这些参数设置自动驾驶仪类型、 自动驾驶仪模态、 飞机气动参数、 自动驾仪参数、 舵机参数、 风扰动及故障;实时计算飞机模型的响应;
11、实时计算自动驾驶仪输出;在硬件方式下实时采集驾驶杆、 油门杆、 总距杆及脚蹬信号输入;通过网络将飞机位置、 速度、 姿态等飞机状态量数据发给任务计算机;关闭仿真程序。(3) 仪表计算机软件功能:通过网络接收任务计算机的数据;使用这些参数设置仪表类型;根据飞机状态量实时显示相应的仪表;输出飞行中与油门杆相对应的发动机声音信号;关闭仪表程序。(4) 视景计算机软件功能:实时显示飞机和视景;支持三种视角 (从座舱内看景物、 从机尾看飞机、 从机头看飞机) ;在教学研究中使用动画演示直升机缆位模态飞行;固定翼飞机在侧视图中显示起落架收放过程;通过网络接收任务计算机的数据 (飞机状态数据及视角、 视景地
12、图的选择) ;关闭视景程序。经过反复调试和实验, 系统的性能达到了设计要求。系统运行速度较快, 飞机模型视景之间协调一致, 调参实验与理论分析一致, 系统性能稳定, 工作可靠。结束语3的显示飞机本体的操纵性和稳定性, 自动飞行控制系统的稳定与控制过程, 模拟三种飞行控制系统的各种飞行控制状态。在教学训练和型号设计中, 可以方便地调整飞机的相关 气动数据, 演示飞机相应特性的变化; 能调整飞控系统的有关参数, 研究飞控系统参数 对飞机性能和飞行品质的影响。在上述研究工作中都可设置故障和干扰量, 演示故障现象和干扰作用对系统的影响;供开放的研究平台。 模拟器在设计过程中,用先进的计算机应用技术,可
13、更换飞机的气动导数和飞行控制律, 为新型飞机的仿真提采用了先进的设计思想和方法。在方案进行优化的基础上, 采解决了仿真实时性、PC 机的三维视景实时处理、多机种跨专业多功能扩展性设计等主要技术难点, 使模拟器的研制达到了国内领先水平。D e s ign of a M ult i- Type F l igh t Con tro l S im ula torW an g T ao , W u W en h a i(N a vy A v ia t ion T ech n iqu e A ca d em y )A bstra c t In th is a r t ic le, f ir st th e
14、 h a rdw a re de sign s o f th e sim u la to r, in c lu d in g sim 2 u la t io n cab in , com p u te r n e tw o rk sy stem an d co n t ro l d isp lay p a r t a re in t ro du ced in m o re de ta il. T h en , th e so f tw a re de sign s o f m issio n com p u te r m o du la r, sim u la t io n com p u t
15、e r m o du la r, in st rum en t com p u te r m o du la r an d v isu a l com p u te r m o du la r in th e sim u la to r a re an a lyzed. M o reo ve r, it de sc r ib e s som e k ey po in t s adop ted. B a sed o n deb u gg in g an d te st2 in g, th e sim u la to r h a s b een p ro ved to b e goo d p e rfo rm an ce an d re liab ility se rv ice to u seit fo r re sea rch o f th e f ligh t co n t ro l o f a irc raf t, an d f ligh t dyn am ic s.Key word sF ligh t co n t ro lCom p u te r n e tw o rkS im u la t io nCo n t ro l law
