摘要：本文通過(guò)分析伺服閥的流量增益與負(fù)載壓力的非線性，采用狀態(tài)觀測(cè)器獲得內(nèi)部壓力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的精確控制。為了測(cè)試和調(diào)試伺服加載控制器的工作性能，通過(guò)對(duì)控制器各個(gè)組成部分分析，建立了仿真試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)控制器各部件的數(shù)學(xué)模型，最后，對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的合理性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以較好地模擬伺服加載系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，此模型可用于加載控制器性能的仿真。

關(guān)鍵詞：伺服加載控制器；數(shù)學(xué)模型；伺服閥；模擬器

中途分類號(hào)：TP9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

0引言

電液伺服加載系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱EHSLS)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)-電-液復(fù)合力伺服系統(tǒng)，在飛行器的研制過(guò)程中，EHSLS用以在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬飛行器舵機(jī)所受空氣動(dòng)力等載荷，并檢測(cè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)的地面半實(shí)物仿真設(shè)備，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[1]。

圖1電液伺服加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1、舵機(jī)液壓缸；2、加載液壓缸；3、位移傳感器；4、力函數(shù)發(fā)生器；5、彈性負(fù)載；6、等效慣性負(fù)載；7、力傳感器；

電液伺服加載系統(tǒng)作為飛行器性能試驗(yàn)負(fù)載模擬器，是目前最為常見(jiàn)的一種地面動(dòng)態(tài)飛行仿真設(shè)備，在國(guó)防航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。伺服加載控制器是伺服加載系統(tǒng)的核心，其性能好壞很大程度上決定伺服加載系統(tǒng)的性能，隨著國(guó)防工業(yè)的發(fā)展，對(duì)控制器性能指標(biāo)要求越來(lái)越高［2-3］飛機(jī)直線作動(dòng)器伺服加載系統(tǒng)是用于直線作動(dòng)器做特性試驗(yàn)時(shí)，給產(chǎn)品作動(dòng)器施加載荷的控制系統(tǒng)。對(duì)伺服加載控制器的調(diào)試一般都是先在計(jì)算機(jī)上對(duì)模型進(jìn)行軟件仿真，然后就直接在實(shí)際控制系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試應(yīng)用。這種方法會(huì)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，一旦控制器出現(xiàn)控制失調(diào)，會(huì)造成產(chǎn)品的損壞，若能合理設(shè)計(jì)加載系統(tǒng)機(jī)械部分的模型，就能構(gòu)建一個(gè)與加載系統(tǒng)實(shí)際工作情況接近的試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)控制器進(jìn)行離線仿真閉環(huán)測(cè)試，從而將控制器的性能調(diào)整到最佳狀態(tài)［4-5］。

因?yàn)殡娨核欧虞d系統(tǒng)的巨大經(jīng)濟(jì)效益和潛在價(jià)值，受到了液壓和控制領(lǐng)域眾多學(xué)者的重視，并且一度成為該領(lǐng)域的前沿課題。由于電液伺服加載系統(tǒng)是典型的被動(dòng)式力控制系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中，存在由舵機(jī)系統(tǒng)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起的多余力。多余力混入加載系統(tǒng)，不僅嚴(yán)重影響加載精度，而且對(duì)其他控制性能也有不利影響，電液伺服加載系統(tǒng)的許多重要性能指標(biāo)都和多余力有關(guān)[6-7]。對(duì)于如何克服多余力的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出和應(yīng)用了各種各樣的方法[8]，其中基于結(jié)構(gòu)不變性原理的多余力抑制是應(yīng)用最普遍的主動(dòng)消擾方式，某單位將其應(yīng)用在3—4FM型導(dǎo)彈空氣動(dòng)力負(fù)載仿真臺(tái)上[9]，或?qū)⑵涑晒τ糜谥鄙龣C(jī)旋翼加載上[10]，還有其他用在船舶舵機(jī)和飛機(jī)起落架的加載上等[11-12]，都取得了令人滿意的效果。

1電液伺服加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

為了推導(dǎo)的簡(jiǎn)潔性，在數(shù)學(xué)建模中需做適當(dāng)假設(shè)。除此之外，加載液壓缸與等效負(fù)載可視為剛性連接，力傳感器得剛度較高，忽略其彈性變形。由于實(shí)際中需對(duì)舵機(jī)進(jìn)行精確地位移的加載，其自身內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)和相互作用力不在研究范圍之內(nèi)，舵機(jī)系統(tǒng)以其位移的形式作為加載系統(tǒng)的輸入，以此為基礎(chǔ)研究電液伺服加載系統(tǒng)。

加載系統(tǒng)伺服閥中的流量[13]

式中：QL為伺服閥的負(fù)載流量(m3／s)；Kq為伺服閥的流量增益系數(shù)(m2／s)；Xv為伺服閥閥芯位移(m)；PL為伺服閥的負(fù)載壓力(Pa)；PT為油箱壓力(Pa)；ρ為油液密度(kg／m3)；w為控制閥口的面積梯度(m),Cd為閥口的流量系數(shù)(無(wú)因次)。

加載系統(tǒng)液壓缸中的壓力：

式中：AF為液壓缸活塞的有效面積(m2)；Ctc為液壓缸總泄漏系數(shù)(m5／(N·s))；yL為等效負(fù)載位移(m)；Vt為液壓缸兩腔的總?cè)莘e(m3)；βe為液壓油的等效體積彈性模數(shù)(Pa)。

加載系統(tǒng)提供的實(shí)際載荷：

多余力為：

式中：FD為期望載荷。

伺服加載控制器采用PI控制規(guī)律。P調(diào)節(jié)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，I調(diào)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，離散化PI增量型控制規(guī)律表示為

式中:u(k)為PI調(diào)節(jié)輸出信號(hào)；k為時(shí)間序列號(hào)；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期；ε(k)為偏差信號(hào)；Δu(k)為PI調(diào)節(jié)增量。

2伺服加載系統(tǒng)部件模型

伺服加載系統(tǒng)中的機(jī)械部件包括伺服放大器電液伺服閥、液壓缸、力傳感器等，這些部件均可用模型來(lái)進(jìn)行描述。

設(shè)指令電壓信號(hào)為Ur，反饋電壓信號(hào)為UF，則偏差電壓信號(hào)為Ue

力傳感器方程為

式中：KF為力傳感器增益;F為反饋力伺服放大器的輸出為：

式中：i為放大器輸出電流；U為放大器輸入電壓；Ka為放大器增益。

由于等效負(fù)載的慣性力和液壓缸的粘性力可通過(guò)力函數(shù)發(fā)生器進(jìn)行補(bǔ)償，因此可不進(jìn)行討論。通過(guò)以上分析，同時(shí)考慮功率放大器、電液伺服閥、位移傳感器、力傳感器、力函數(shù)發(fā)生器等系統(tǒng)外圍組件，可得電液伺服加載系統(tǒng)方框圖，如圖2所示。

圖2電液伺服加載系統(tǒng)方框圖

雖然通過(guò)加載系統(tǒng)伺服閥中的流量公式可得到實(shí)時(shí)缸壓和流量的關(guān)系，但是實(shí)際中測(cè)量伺服閥的負(fù)載壓力往往會(huì)提高成本。而通過(guò)控制流量可以補(bǔ)償干擾位移的運(yùn)動(dòng)，加載系統(tǒng)伺服閥中的流量公式也說(shuō)明流量與液壓缸內(nèi)壓力有關(guān)。因此在沒(méi)有壓力傳感器的情況下，利用現(xiàn)代自動(dòng)控制理論通過(guò)系統(tǒng)重構(gòu)建立一套狀態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，采用狀態(tài)觀測(cè)器預(yù)估系統(tǒng)狀態(tài)的辦法，實(shí)時(shí)地修正狀態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，使其與實(shí)際系統(tǒng)一致，從而保證觀測(cè)器中液壓缸兩端的壓力與實(shí)際系統(tǒng)中的一致。

3仿真模型搭建

通過(guò)對(duì)以上部件數(shù)學(xué)模型的建立可得實(shí)時(shí)缸壓和流量的關(guān)系，但是在實(shí)際中測(cè)量伺服閥的負(fù)載壓力往往會(huì)提高成本。而通過(guò)控制流量可以補(bǔ)償干擾位移的運(yùn)動(dòng)，這也就說(shuō)明流量與液壓缸內(nèi)壓力有關(guān)。因此在沒(méi)有壓力傳感器的情況下，利用現(xiàn)代自動(dòng)控制理論通過(guò)系統(tǒng)重構(gòu)建立一套狀態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，采用狀態(tài)觀測(cè)器預(yù)估系統(tǒng)狀態(tài)的辦法，實(shí)時(shí)地修正狀態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，使其與實(shí)際系統(tǒng)一致，從而保證觀測(cè)器中液壓缸兩端的壓力與實(shí)際系統(tǒng)中的一致，其控制模型如圖3所示。

圖3系統(tǒng)控制部分仿真模型

4結(jié)論

本研究針對(duì)電液伺服加載系統(tǒng)被動(dòng)加載時(shí)存在較大多余力及結(jié)構(gòu)不變性原理難以完全補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真。文中從系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型出發(fā)，在結(jié)構(gòu)不變性原理的基礎(chǔ)上，深入分析了伺服閥的流量方程，并通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器預(yù)估實(shí)時(shí)液壓缸兩腔壓力，建立了其與伺服閥流量增益的關(guān)系，從而更加精確地補(bǔ)償了多余流量。最終通過(guò)仿真分析表明，所建數(shù)學(xué)模型與實(shí)際仿真效果相同。然而，在本文中由于簡(jiǎn)化了觀測(cè)器的狀態(tài)跟蹤部分，只能在短時(shí)間內(nèi)保持與實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)一致。

5參考文獻(xiàn)

[1]鄂昱村。陳楸，李毅.被動(dòng)式電液伺服加載系統(tǒng)的多余力抑制[J].液壓與氣動(dòng),2014(5),52-55.

[2]markKarpenko,narimanSeoehri.Hardware-in-the-Loopsimulatorforresearchonfaulttolerantcontrolofelectro-hydraulicactuatorsinaflightcontrolapplication[J].Mechatronics,2009,19(7),1067-1077.

[3]郭棟，付永領(lǐng)，祁曉野電液伺服加載控制器的設(shè)計(jì)［J］液壓與氣動(dòng)，2011(7):38-42

[4]蔡源春，周云山，張飛鐵等基于硬件在環(huán)仿真技術(shù)的無(wú)級(jí)變速器試驗(yàn)系統(tǒng)研究［J］儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(5):960-965.

[5]王永庭，黃英，張付軍等基于硬件在環(huán)仿真的變速箱電子控制單元的開(kāi)發(fā)方法［J］兵工學(xué)報(bào)，200728(8)，897-902.

[6].蘇東海，劉慶和，昊盛林．電液負(fù)載仿真臺(tái)多余力矩的理論分析及其克服方法的探討[J]．機(jī)床與液壓，1998，(1)：14—15.

[7].閆杰，趙曉蓓．電液伺服加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及有效性分析[J]．航空學(xué)報(bào)，1998，19(1)：5.

[8].高俊霞，華清，焦宗夏．電液加載系統(tǒng)中的多余力及各種補(bǔ)償方法的比較[J]．液壓氣動(dòng)與密封，2003，(9).1-6.

[9]蘇永清，黃獻(xiàn)龍，趙克定．國(guó)內(nèi)電液負(fù)載仿真臺(tái)研究與發(fā)展現(xiàn)狀[J]．機(jī)床與液壓，1999，(2)：17-19.

[10]王新民，劉衛(wèi)國(guó)．直升機(jī)加載抑制多余力控制研究[J]．機(jī)床與液壓，2005，(7)：142-144.

[11]慕香永，裴潤(rùn)，劉志林，等．用于船舶舵機(jī)的電液負(fù)載模擬器之控制系統(tǒng)[J]．控制理論與應(yīng)用，2008，25(3)：564-573.

[12]俞興民．起落架電液伺服加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．液壓與氣動(dòng)，2012，(9)：20-21.

[13]宋志安，曹連民，黃靖，等．MATLAB／Simulink與液制系統(tǒng)仿真(第2版)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012：88-89，308-313.