1 引言
飞机操纵系统是指把飞行员对驾驶盘、脚蹬、驾驶柱的操纵指令传动到飞机各个操纵面的机械/电气系统。为了检测飞机操纵系统响应的快速性、准确性和稳定性，验证操纵系统的动态品质是否符合设计要求，需通过仿真分析或试验测试来得到操纵系统的动/静态特性。某飞行操纵系统为机械式操纵机构，各操纵通道由拉杆、摇臂、钢索等组成，由于非线性机构的存在，难以通过理论分析、建模仿真得到准确的动/静态特性，因而通过试验测试的方式得出。本文研究飞机操纵系统动/静态特性测试方法。
2 测试原理
飞机操纵系统动/静态特性测试的基本原理是在信号链起始端输入信号，在信号链下游测试系统对输入信号的响应，输出量和输入量之间的关系即表征了操纵系统的动/静态特性。工程实践中通常把操纵机构的位移作为测试输入量，把操纵机构所受力、舵面偏角等作为测试输出量。
操纵系统静态特性测试主要测试操纵机构最大操纵行程、最大操纵力、启动力、启动行程、系统间隙和摩擦力等静态特性。实际试验时，通过测试各操纵通道的操纵力-操纵位移曲线，对曲线进行进一步分析计算得到上述一系列操纵系统静态特性。典型的操纵力-操纵位移曲线如图1所示。
图1 操纵位移-操纵力特性理论曲线
操纵系统动态特性包括时域特性、频域特性，通过向操纵机构施加阶跃指令和正弦指令作为输入，同时采集舵面偏角值作为输出，根据输出与输入的时间历程关系绘制操纵位移-舵面偏角曲线，依据控制系统原理分析其时域特性和频域特性。
通过分析测试目的和需求，操纵系统动/静态特性测试原理框图如图2所示。
图2 动/静态特性测试原理
3 试验设备
操纵系统动/静态测试的试验设备主要有机械位移信号发生器和数据采集分析系统。
在飞机飞行过程中，舵面的运动规律是驾驶员通过操纵系统给予的，随着飞机类别和飞行任务的不同而不同，但在分析研究操纵特性时，则需要人为地规定某些典型性和代表性的操纵规律作为统一标准。机械位移信号发生器用于产生各种波形的机械指令，用来模拟飞行员操纵驾驶柱（盘）和脚蹬，完成飞行员操纵指令的机械输入。机械位移信号发生器采用液压作动伺服系统，由控制器与控制软件、伺服阀、传感器、直线伺服油缸、伺服扭转缸等组成，静态输出位移精度小于±0.5%，位移控制模式下，小行程（±5mm）下信号发生器幅值波动在0.5dB范围内时带宽不小于10Hz。
数据采集分析系统包括通用的数据采集系统和专用的动态频率响应分析仪。其中，动态频响分析仪用于动态频域特性测试，由信号发生器、分析仪、分析软件组成，其工作原理是给待测系统输入一个频率变化的扫描信号，并于特定点测量该信号对系统所造成的影响，由此分析计算出待测系统在不同频率的响应特性。
4 技术难点及实现方法
4.1 机械位移信号发生器工作方式分析
机械位移信号发生器作为座舱操纵机构动作指令的输入源，与操纵机构间采用软连接方式。为保证机械指令的精准输入，需要重点考察机械位移信号发生器输出位移和操纵机构实际位移二者间的一致性。
以驾驶柱为例，如图3所示，在驾驶柱上选取适当点位安装工装，工装与机械位移信号发生器作动筒前端的连杆间的运动副为转动副，即两构件只在驾驶柱中心线所在平面上相对转动。驾驶柱中立位置垂直于水平面，经分析计算，直线伺服油缸的活塞杆在伸出过程中驾驶柱的角位θ移为：
结合安装实际，将a=688.84mm、b=610mm、r=320mm代入计算公式，则作动筒航向伸出至50mm情况下连接点处航向位移与纵向位移分别为：
通过以上分析计算可知，机械位移信号发生器输出位移和操纵机构实际位移基本相同，满足测试需求，安装时只需为作动筒预留一定摆动角度即可。
应该指出的是，如图2所示，机械位移信号发生器的输入来自于前端激励信号，采集该激励信号作为动/静态特性分析时的输入较为直观，但为避免液压伺服系统这一环节动态特性中存在的相位滞后对试验全环节动态特性的影响，实际测试中使用活塞杆位移信号作为动态特性分析时的输入。
4.2 测试流程和数据处理方法
试验环境搭建完成后按照相关系统技术条件进行检查和试验设备调试，然后开始正式测试流程。在静态特性测试中，由机械位移信号发生器输入机械指令，使操纵机构以“中立——左（或前）极限位置——中立——右（或后）极限位置——中立”为一个周期运动，在操纵系统运动过程中，使用数据采集系统记录驾驶柱/驾驶盘/脚蹬处测量点位移传感器和力传感器的输出值。数据处理方法为将测得的位移值和力值的原始数据进行平滑处理，再使用X-Y分析功能画出操纵位移——力特性曲线，并在曲线上按图1中相关特征量定义进行标记。
动态特性测试分为时域特性测试和频域特性测试。时域测试中，使用函数信号发生器给机械位移信号发生器输入10%操纵机构单向行程阶跃信号，机械位移信号发生器随之产生控制指令驱动操纵机构运动。使用数据采集系统测得舵面偏角传感器输出值，绘制出输出角位移与输入位移间的时间历程关系，分析输出与输入得到上升时间、稳态时间、振荡次数、超调量等时域特性。
频域测试中，使用函数信号发生器给机械位移信号发生器输入正弦扫频信号，机械位移信号发生器随之产生幅值为15%操纵机构单向行程、频率范围在0.1rad/s～10rad/s、频率间隔按每10倍频程对数10等分的控制指令驱动操纵机构运动。将机械位移信号发生器上位移传感器输出值和对应舵面偏角传感器输出值分别引至动态频响分析仪的两个通道，动态频响分析仪经处理分析给出频域特性的图形化结果（Bode图、Nyquist图）和幅值裕度、相位裕度参数。
5 结论
在某飞机操纵系统动/静态特性测量试验中，按照本文所述测试方法制定试验方案，完成试验环境搭建、试验实施和数据分析处理，获取了有效的试验数据。该方法通过较低的试验成本准确测得了操纵系统动/静态特性，达到试验目的。
6 参考文献
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