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主动侧杆系统多余力机理及敏感性分析

杨建忠 左金鹏 孙晓哲

杨建忠,左金鹏,孙晓哲. 主动侧杆系统多余力机理及敏感性分析[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(5):1378-1390
引用本文: 杨建忠,左金鹏,孙晓哲. 主动侧杆系统多余力机理及敏感性分析[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(5):1378-1390
YANG J Z,ZUO J P,SUN X Z. Mechanism and sensitivity analysis of surplus force in active sidestick system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(5):1378-1390 (in Chinese)
Citation: YANG J Z,ZUO J P,SUN X Z. Mechanism and sensitivity analysis of surplus force in active sidestick system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(5):1378-1390 (in Chinese)

主动侧杆系统多余力机理及敏感性分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2024.0127
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:xzsun@cauc.edu.cn

  • 中图分类号: V249;TP29

Mechanism and sensitivity analysis of surplus force in active sidestick system

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  • 摘要:

    主动侧杆系统存在的多余力问题造成了“抖杆打手”、态势感知差、特殊情况下易诱发飞行事故等问题。为更好地分析多余力的作用机理,确定系统参数对多余力的影响机理及规律,通过理论分析确定了与系统多余力相关的参数,基于蒙特卡罗仿真详细分析了各参数对系统多余力的影响,开展了多余力频谱分析,进行了各参数的多余力影响敏感性分析。通过定性定量分析确定了对系统多余力影响最大的因素,即驾驶员操纵频率、侧杆等效转动惯量、侧杆等效阻尼、转速传感器信号偏置、力矩传感器信号偏置,并分析了各参数对多余力的影响机理和程度,为主动侧杆系统多余力抑制方法设计和符合性验证研究提供了参考依据。

     

  • 图 1  主动侧杆结构框图

    Figure 1.  Structure block diagram of active sidestick

    图 2  主动侧杆系统控制框图

    Figure 2.  System control block diagram of active sidestick

    图 3  操纵力-反馈力-多余力示意图

    Figure 3.  Diagram of control force-feedback force-surplus force

    图 4  侧杆偏角示意图

    Figure 4.  Diagram of steering column offset angle

    图 5  主动侧杆系统开环控制框图

    Figure 5.  System open loop control block diagram of active sidestick

    图 6  扭转刚度对系统性能影响Bode图

    Figure 6.  Bode diagram of effect of torsional stiffness on system performance

    图 7  电机转子转动惯量对系统性能影响Bode图

    Figure 7.  Bode diagram of effect of motor rotor moment of inertia on system performance

    图 8  参数对多余力分布占比的影响

    Figure 8.  Influence of parameters on distribution proportion of surplus force

    图 9  单参数多余力频谱图

    Figure 9.  Signal parameter surplus force spectrum diagram

    图 10  单参数变化时多余力分布散点图

    Figure 10.  Surplus force distribution scatter plot under single parameter variation

    图 11  多参数变化时多余力分布散点图

    Figure 11.  Surplus force distribution scatter plot under multi-parameter variation

    图 12  多参数多余力频谱图

    Figure 12.  Multiparameter surplus force spectrum diagram

    图 13  故障情况影响参数分布散点图

    Figure 13.  Fault condition affects parameter distribution scatter plot

    表  1  参数标定值[18]

    Table  1.   Parameter calibration value[18]

    参数 数值
    电机相电阻$ {R} $/$ \Omega $ 1.3
    电机相电感$ L $/$ {\mathrm{mH}} $ 1.175
    永磁体磁链$ {\psi }_{{\mathrm{f}}} $/$ {\mathrm{Wb}} $ 0.0333
    电机极对数$ {p}_{{\mathrm{n}}} $ 20
    电机转子转动惯量$ J $/($ {{\mathrm{kg\cdot {m}^{2}}}} $) 0.000231
    扭转刚度$ {g}_{{\mathrm{c}}} $/($ {{\mathrm{N\cdot m}}} \cdot {\mathrm{rad}}^{-1}$) 550
    齿轮减速比$ i $ 8
    侧杆长度$ l $/m 0.15
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    表  2  多余力的影响参数[24-25]

    Table  2.   Influence parameter of surplus force[24-25]

    分类 影响多余力的因素 表现形式
    驾驶员指令 驾驶员操纵频率 操纵频率在0~5 rad/s变化
    传动装置 侧杆等效转动惯量 等效转动惯量有20%的偏差
    侧杆等效阻尼 等效阻尼有30%的偏差
    扭转刚度 扭转刚度有25%的偏差
    电机参数 电机相电阻 相电阻有30%的误差
    电机相电感 相电感有10%的误差
    电机转子转动惯量 转子转动惯量有10%的误差
    电机转矩系数 转矩系数有6%的差异
    传感器、控制器 力指令信号延迟 力指令信号延迟2%
    力矩传感器信号延迟 力矩传感器信号延迟0.5%
    转速传感器信号延迟 转速传感器信号延迟0.5%
    力矩传感器信号偏置 力矩传感器信号偏置20%
    转速传感器信号偏置 转速传感器信号偏置20%
    电流传感器信号偏置 电流传感器信号偏置20%
    转速传感器信号噪声 向转速传感器注入2%、频率为50 Hz的白噪声
    电流传感器信号噪声 向电流传感器注入2%、频率为50 Hz的白噪声
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    表  3  多余力频谱仿真结果

    Table  3.   Spectrum simulation results of surplus force

    参数 主频率/Hz 主频率幅值 THD/%
    电流传感器信号噪声 5.7 6.418 12.85
    力矩传感器信号偏置 5.18 6.444 20.07
    电机转矩系数 5.7 6.742 10.94
    转速传感器信号噪声 5.7 6.747 11.09
    扭转刚度 5.7 6.782 10.70
    转速传感器信号延迟 5.7 6.784 10.67
    电机相电阻 5.7 6.784 10.69
    电机相电感 5.7 6.784 10.69
    电机转子转动惯量 5.7 6.8 10.56
    电流传感器信号偏置 5.7 6.924 9.88
    力指令信号延迟 5.7 7.543 6.73
    转速传感器信号偏置 5.7 7.722 5.93
    侧杆等效转动惯量 5.18 7.724 12.97
    侧杆等效阻尼 5.7 9.648 4.91
    驾驶员操纵频率 5.7 10.68 10.55
     注:正常情况下,主频率为5.7 Hz,主频率幅值为6.933,THD为9.70%。
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    表  4  参数敏感性

    Table  4.   Parameter sensitivity

    参数敏感度敏感区间
    驾驶员操纵频率305.526All
    侧杆等效转动惯量303.347All
    侧杆等效阻尼241.2650.101~0.133
    力矩传感器信号偏置12.576−0.15~0.2
    转速传感器信号偏置0.2759All
    电流传感器信号噪声0.1832All
    转速传感器信号噪声0.1075All
    力指令信号延迟0.0942All
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-05
  • 录用日期:  2024-08-06
  • 网络出版日期:  2024-09-04
  • 整期出版日期:  2026-05-26

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