novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.21.184-192novtexmech-770Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTРазработка и исследование математической модели работы пары активных ручек управления самолетом в среде MATLABDesign and Research of a Model of a Pair Active Aircraft Control Sidesticks Operation in MATLABАбдулинР. Р.AbdulinR. R.

канд. техн. наук, зам. Управляющего директора — главный конструктор

г. Москва

Moscow, 127055

abdulin@mnpk.ruТимофеевД. С.TimofeevD. S.

канд. техн. наук, нач. сектора

г. Москва

Moscow, 127055

tds@mnpk.ruКрыловН. В.KravchenkoA. A.

канд. техн. наук, вед. инженер-конструктор

г. Москва

Moscow, 127055

artsunday@mail.ruКравченкоА. А.ZaitsevI. V.

нач. сектора

г. Москва

Moscow, 127055

kravchenko@mnpk.ruЗайцевИ. В.KrylovN. V.

инженер-конструктор

г. Москва

Moscow, 127055

zaitsev.iv@mnpk.ruСамсоновичС. Л.SamsonovichS. L.

д-р техн. наук, проф.

г. Москва

Moscow, 125993

samsonovich40@mail.ruРожнинН. Б.RozhninN. B.

канд. техн. наук, ст. науч. сотр.

г. Москва

Moscow, 125993

rozhnin@yandex.ruЛаринА. П.LarinA. P.

ст. преподаватель

г. Москва

Moscow, 125993

aplarin@rambler.ruМакаринМ. А.MakarinM. A.

канд. техн. наук, ст. преподаватель

г. Москва

Ph.D.

Moscow, 125993

ikhailmakarin@gmail.comАО Московский научно-производственный комплекс "АВИОНИКА" имени О. В. УспенскогоРоссияAVIONICA Joint Stock CompanyRussian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИРоссияMoscow Aviation Institute (National research university)Russian Federation202005032020213184192Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20202020Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/770

Разработка боковых активных ручек управления самолетом (АРУС) является актуальным направлением развития современных систем управления полетом, позволяющим повысить безопасность полета, улучшить эргономику работы в кабине и сократить массогабаритные показатели рычагов управления. Статья посвящена имитационному моделированию работы пары АРУС, выполненных на основе электромеханических приводов (ЭМП) по безрамочной конструктивно-кинематической схеме, обеспечивающей идентичные динамические характеристики в каналах тангажа и крена. Моделирование проводилось в среде MATLAB с использованием специализированных библиотек SimMechanics и SimPowerSystems. С помощью трехмерной твердотельной модели конструкции АРУС были уточнены массы и моменты инерции подвижных частей. Разработанная комплексная модель состоит из моделей двух постов АРУС, трех блоков задания входного воздействия ("Автопилот", блоки 1-го и 2-го пилотов), блока формирования загрузочной характеристики для режима ручного управления и блока логики перехода из автоматического режима в ручной. Модель позволяет исследовать статические и динамические характеристики электромеханических приводов и алгоритмы управления в автоматическом и ручном режимах полета, в том числе при одновременном управлении двумя пилотами и при вмешательстве пилотов в автоматическое управление. Введение в модель блока удержания положен ия рукоятки позволило смоделировать ситуацию, когда в режиме ручного управления 1-й пилот пытается удержать рукоятку в положении, которое он считает правильным, несмотря на вмешательство 2-го пилота. Проведенные на модели эксперименты показали, что разработанная конструкция АРУС обеспечивает выполнение заданных требований к активным боковым ручкам управления самолетом.

Development of an aircraft active sidestick control is an actual direction in modern flight control systems which allows to increase safety, to improve cabin ergonomics and to reduce the mass and weight of control levers. The article devoted to simulation modeling of a pair active sidesticks based on electromechanical actuators coupled by a frameless kinematic scheme, providing identical dynamic characteristics for the pitch and roll channels. MATLAB, Simulink, Simscape, with SimMechanics and SimPowerSystems libraries was used to create the mathematical model. Parameters such as moments of inertia was count based on the 3D model of the active sidestick. The complex model includes two active sidesticks units, three blocks as the input source ("Autopilot", blocks of the 1st and 2nd pilots), a block that compute a loading characteristic for the manual control mode and a block with logic for switching from automatic to manual mode. The model of each active sidestick unit consists of three main blocks: a regulator, an electric motor with a control system, and a block of mechanics. The regulator block includes a PID regulator and a PWM modulator. The electric motor unit includes a power source, a three-phase bridge inverter, a model of a brushless three-phase electric motor from the SimPowerSystems library and a power switch control unit. The mechanics block includes a planetary gearbox, hinge mechanism, handle, moments of inertia, a position sensor, a torsion rod equal to tension springs which are used in device, a nonlinear speed damper and a torque source unit, depending on the force applied by the pilot. Developed model makes it possible to get static and dynamic characteristics of the actuators, to check control algorithms to simulate operating modes in automatic and manual control, including piloting by both pilots at the same time and the interruption in automatic control mode. Including in model a " hold position block" allowed to simulate situation when in manual control mode the 1st pilot tries to hold the handle in a position that he considers correct, despite the intervention of the 2nd pilot. The simulation results showed that developed device meets specified requirements for the aircraft active sidesticks.

активная боковая ручка управления самолетомэлектромеханический приводматематическое моделированиеалгоритмы управленияactive aircraft sidestick controlelectromechanical actuatorsimulation modellingcontrol algorithmsReferencesHermans R. L. Design of an actuated side stick controller for the SiMoNa research simulator. Delft: Delft University of Technology, 1999.154 р.Hermans R. L. Design of an actuated side stick controller for the SiMoNa research simulator, Delft, Delft University of Technology, 1999, 154 р.Hanke D., Herbst C. Active sidestick technology — a means for improving situational awareness // Aerospace science technology. 1999. Vol. 3. P. 1—11.Hanke D., Herbst C. Active sidestick technology — a means for improving situational awareness, Aerospace science technology, 1999, vol. 3, pp. 1—11.Абдулин Р. Р., Тимофеев Д. С., Кравченко А. А., Крылов Н. В., Самсонович С. Л., Рожнин Н. Б., Ларин А. П., Макарин М. А., Заец В. Ф. Боковая ручка управления (варианты). Патент РФ № 2681462, 06.03.2019.Abdulin R. R., Krylov N. V., Kravchenko A. A., Larin A. P., Makarin M. A., Rozhnin N. B., Samsonovich S. L., Timofeev D. S., Zaets V. F. Patent RU № 2681462 06.03.2019 (in Russian).Абдулин Р. Р., Тимофеев Д. С., Кравченко А. А., Крылов Н. В., Самсонович С. Л., Рожнин Н. Б., Ларин А. П., Макарин М. А. О кинематических и энергетических характеристиках активной безрамочной ручки управления самолетом // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19, № 19(10). С. 673—679.Abdulin R. R., Timofeev D. S., Kravchenko A. A., Krylov N. V., Samsonovich S. L., Rozhnin N. B., Larin A. P., Makarin M. A. Kinematic and power characteristics of the active frameless aircraft control sidestick, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2018, vol. 19, no. 10, pp. 673—679 (in Russian).Абдулин Р. Р., Кравченко А. А., Крылов Н. В., Тимофеев Д. С. Ларин А. П., Макарин М. А., Рожнин Н. Б., Самсонович С. Л. Разработка конструктивно-кинематической схемы активной боковой ручки управления самолетом на основе качающейся шайбы и косого кривошипа // Материалы V научнопрактической конференции памяти О. В. Успенского. М.: Издательский дом Академии им. Н. Е. Жуковского, 2018. С. 57—64.Abdulin R. R., Kravchenko A. A., Krylov N. V., Timofeev D. S., Larin A. P., Makarin M. A., Rozhnin N. B., Samsonovich S. L. Development of the structural-kinematic scheme of the active aircraft sidestick control based on a rocking washer and oblique crank, Materials of the V scientific-practical conference in memory of O. V. Ouspensky, Moscow, Publishing House of the Zhukovsky Academy, 2018, pp. 57—64 (in Russian).Ефремов А. В., Александров В. В., Валеров К. В. Исследование влияния типа рычага и управляющего сигнала на свойства системы самолет—летчик // Труды МАИ. 2017. № 94. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=80903.Efremov A. V., Alexandrov V. V., Valerov K. V. Research of type and signal of a control lever to plane-pilot system, Trydy MAI, 2017, no. 94, available at: http://trudymai.ru/published. php?ID=80903 (in Russian).Ли Б. П., Родченко В. В., Зайчик Л. Е. An approach to feel system characteristics selection // AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit. AIAA Paper № 5362, 2004.Lee B. P., Rodchenko V. V., Zaichik L. E. An approach to feel system characteristics selection, AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit, AIAA Paper № 5362, 2004.Родченко В. В., Зайчик Л. Е., Яшин Ю. П. Similarity criteria for manipulator loading and control sensitivity characteristics // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1998. Vol. 21, N. 2. P. 307—314.Rodchenko V. V., Zaichik L. E., Yashin Yu. P. Similarity criteria for manipulator loading and control sensitivity characteristics, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1998, vol. 21, no. 2, pp. 307—314.Зайчик Л. Е., Гринев К. Н., Яшин Ю. П., Сорокин С. А. Effect of Feel System Characteristics on Pilot Model Parameters // Proceedings of the 1st IFAC Conference on Cyber-Physical & Human-Systems. Brazil, Florionapolis. P. 165—170, 2016.Zaichik L. E., Grinev K. N., Yashin Yu. P., Sorokin S. A. Effect of Feel System Characteristics on Pilot Model Parameters, Proceedings of the 1st IFAC Conference on Cyber-Physical & Human-Systems, Brazil, Florionapolis, 2016, pp. 165—170.Black G. Th., Moorhouse D. J. Flying Qualities Design Requirements for Sidestick Controllers. 1979. 186 p. URL: http://contrails.iit.edu/reports/9304.Black G. Th., Moorhouse D. J. Flying Qualities Design Requirements for Sidestick Controllers. 1979. 186 p. URL: http://contrails.iit.edu/reports/9304.Hall G. W., Smith R. E. Flight Investigation of Fighter Side-Stick Force-Deflection Characteristics. 1975. 96 p. URL: http://contrails.iit.edu/reports/9208.Hall G. W., Smith R. E. Flight Investigation of Fighter Side-Stick Force-Deflection Characteristics. 1975. 96 p. URL: http://contrails.iit.edu/reports/9208.Jann Mayer, Timothy H. Cox. Evaluation of Two Unique Side Stick Controllers in a Fixed-Base Flight Simulator. Edwards, California: NASA Dryden Flight Research Center, 2003.Jann Mayer, Timothy H. Cox. Evaluation of Two Unique Side Stick Controllers in a Fixed-Base Flight Simulator, NASA Dryden Flight Research Center, Edwards, California, 2003.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.