飛行模擬器滑油壓力表仿真器設(shè)計
針對某型飛機飛行模擬器儀表系統(tǒng)的特點，以滑油壓力表為例，對常用電流比值表 仿真器進行了研究，提出了利用同步器代替實裝傳感器的實施方案，并給出了基于CAN總 線的同步器實現(xiàn)方法。實踐證明，該仿真器精度高、實時性強、擴展靈活，具有通用性和實 用性等特點。
飛機儀表是人與飛機的交互界面，為飛行員提 供飛機的高度、空速、升降速度、航向、姿態(tài)及發(fā)動 機的工作狀態(tài)等信息。在實際飛行中，特別是在復(fù) 雜氣象條件下飛行時，飛機儀表的地位尤為重要。 同時“儀表飛行”也是飛行訓(xùn)練的一個重要課目。因 此，在飛行模擬器的設(shè)計過程中，儀表仿真系統(tǒng)的 設(shè)計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 種與真實飛機一樣的儀表環(huán)境，從而與視景系統(tǒng)相 配合模擬出飛機的飛行環(huán)境。由于儀表仿真系統(tǒng)需要模擬真實儀表的工作，因此在儀表仿真系統(tǒng)的設(shè) 計過程中，盡量采用實裝儀表的指示器，以達到最佳 的仿真效果。
在某型飛機飛行模擬器的研制過程中，由于滑 油壓力表、汽油壓力表、進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，對實裝指示器的改造 工藝?yán)щy、成本高，因此采用同步器直接驅(qū)動實裝指 示器的方式來實現(xiàn)此類儀表的仿真，其特點是電路簡單，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電橋。其中，Ri、R2是 固定臂阻，Rx、Ry是可變臂阻，R3、R4是溫度補償電 阻，丨、II代表線框，R5是線框II的補助電阻。電流 從電源正極進入電橋后分為三路，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兩點的電位，A、C兩點 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含補助電 阻R5)，補償電阻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和溫度補償電阻Rb也是不變的，由式（3)可 知，這時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
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，金屬膜片將會變形而產(chǎn)生位移量，并 通過傳動機構(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)計的滑油壓力表仿真 器由同步器和實裝指示器兩部分組成，利用同步器 替代傳感器來驅(qū)動實裝指示器以方便控制。同步器 主要有電位器、傳動機構(gòu)（減速齒輪）、電機驅(qū)動單 元(步進電機)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)動單元的選擇
電機驅(qū)動單元是帶動傳動機構(gòu)進而帶動電位 器旋轉(zhuǎn)的動力裝置。電機采用步進電機，步進電機 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)動元件，具有快速啟動和停 止的能力。當(dāng)負荷不超過步進電機所提供的動態(tài)轉(zhuǎn) 矩值時，它能在瞬間實現(xiàn)啟動和停止。步矩角和轉(zhuǎn) 速在最大負載內(nèi)不受電壓波動和負載變化的影響， 也不受環(huán)境條件如溫度、振動等的影響，僅與脈沖 頻率有關(guān)。在不丟步的情況下運行，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，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)選用步進電機作為仿真同步器的驅(qū)動單元。
2.2傳動機構(gòu)的設(shè)計
傳動結(jié)構(gòu)主要包括減速齒輪、支架、軸承等。步 進電機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)動實裝指示器的指示，另 一方面又可作為步進電機的位置反饋信號，以消除 因步進電機丟步所造成的儀表指示上的誤差。
2.3控制模塊的設(shè)計
控制模塊主要是一只基于CAN總線的步進電 機控制器，用于接收飛行模擬器儀表控制系統(tǒng)信 號、控制步進電機等。選擇CAN總線是因為在目前 常用的工業(yè)現(xiàn)場總線中，CAN總線具有實時性好、 抗干擾性和可靠性高、機制靈活和易于擴充等優(yōu) 點。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，并與步進電機 的位置信號進行比較，計算出步進電機所需動作的 角位移，然后控制步進電機進行動作，使實裝指示器 指示出當(dāng)前的滑油壓力。控制模塊所采用的CAN收 發(fā)器為PCA82C250，模塊控制器采用80C51單片 機，總線控制器為SJA1000。
控制模塊的軟件設(shè)計包括四部分內(nèi)容：系統(tǒng)初 始化、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)采集和步進電機控制。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 頓插值多項式的方法來修正，但比較牛頓插值多項 式的方法，分段線性插值更優(yōu)越，因為只要增加測量數(shù)據(jù)點，總可以使誤差隨測量數(shù)據(jù)點的增多而趨于 零。因此，本文采用分段線性插值法實現(xiàn)對滑油壓 力表指示器的控制?？紤]到節(jié)省運算量，同時又保 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)確度分為若干個采樣點，對相鄰兩個采樣 點進行線性插值。對于某型飛機，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 樣點間隔可選擇1 kg/cm2，結(jié)果如表1所示，其中 HYdi為采樣點壓力值（指示器指示值），Urf1為采樣 點所對應(yīng)的Rx兩端電壓值。
3.實驗結(jié)果
根據(jù)表1制成插值表，便可對滑油壓力表指示 器進行控制。為了驗證本仿真器的仿真效果，以采 樣點為測試點，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，并對測試點進行實驗測試，實 驗結(jié)果如表2所示，其中HYd2為測試點壓力值（由儀表控制系統(tǒng)發(fā)出），Ud2為測試點所對應(yīng)的Rx兩端 電壓值。表1與表2的比較曲線如圖7所示。實驗結(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)用于某型飛機飛行模擬器的 研制，實踐證明該系統(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 真器的實現(xiàn)方法，使飛行模擬器儀表控制系統(tǒng)實現(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 泛的推廣價值。
