运动模拟器控制系统的设计和实验研究

　　液控运动模拟系统由运动平台、阀控缸动力机构、泵站、微机控制系统组成,它是一种可以代替实物对驾驶员进行培训、完成训练科目的仿真设备。它不受天气、场地、时间的限制,由于其经济性、安全性、无污染性、可重复性,而在世界各国尤其是军方得到了广泛的应用。本文主要介绍了设计运动模拟器控制系统时应考虑的问题,并且以飞行模拟器实验室样机的控制系统为例,具体介绍了六自由度运动模拟器控制系统的实现和性能评价。

　　2　运动模拟器控制系统设计时应考虑的关键问题

　　(1)运动模拟器关心的不仅是位置、速度,更关心系统的快速性及加速度和突发加速度的控制精度[1]。因此运动模拟平台必须能提供瞬时过载动感、重力分量的持续感和部分抖动冲击信息,从而保证模拟过程能为驾驶员提供更多的运动信息,实现高度逼真的实时仿真。

　　(2)运动模拟过程中,由于驱动器的行程有限,在完成一次突发运动后应能缓慢返回中立位置,以便在有限的行程范围内完成下一次突发运动。在平台返回中位的过程中运动平台的加速度不能超过人的前庭器官所能感觉到的加速度阈值0·02g[2]。

　　(3)由于阀控缸过程中的压力跃变、驱动器的摩擦力和变负载干扰、驱动器之间的耦合作用等因素均会造成平台的抖动,甚至会为驾驶员产生虚假的动作感觉,因此运动模拟系统的控制器必须具有抑制干扰、提高运动过程平滑性的能力[3]。

　　3　飞行模拟器实验室样机控制系统的具体实现

　　在考虑上述要求的基础上,设计了飞行模拟器实验室样机的控制系统,它包括软件部分和硬件部分。其控制原理图如图1所示。

　　(1)硬件系统的具体实现:样机硬件系统由工控机、位移传感器、数据采集卡、压力传感器、自行研制的具有扩展功能的电液驱动放大集成硬件平台、伺服阀、非对称缸组成。其中伺服阀采用了陕西某公司生产的额定流量为55 L/min、型号为YF-13A055CK-03的非对称电液伺服阀;数据采集卡采用了台湾某公司生产的PCI-9113A;位移传感器采用了某公司量程为0~400mm的磁致伸缩位移传感器;压力传感器采用了某公司测量范围为0~20MPa的应变式压力传感器。

　　(2)软件系统的设计:对飞行模拟器六自由度运动系统而言,通常有两种控制方案[4],即直接数字控制系统(DDC),分散型控制系统(DCS)。此处设计的试验样机,未涉及与外界的通信问题,而且开关量控制也少,因此采用了DDC的控制方案。

　　飞行模拟器六自由度运动系统的控制系统必须具有控制实时性好、可靠性高和适应性强的特点。而在图1所示的DDC方案中,一台工控机在完成运动学解算的同时,还要完成6个伺服回路的控制和一些开关量的处理,这必然占用大量的计算机系统资源,因此必须合理地设计控制软件,使之准确、实时地完成所有功能。此处采用面向对象的编程技术,用BorlandC++3·1作平台开发了系统的控制软件,该控制软件功能模块图见图2。