新型電動作動器控制精度及機液耦合性能研究

, , (海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院， 湖北 武漢　430033)

引言

電動作動器通過絲杠承載，所以作動器的功率和壽命主要受絲杠承載能力的限制，尤其對于大型水面艦艇等需要提供巨大推力的情況下，電動作動器的尺寸迅速增大，噪聲迅速提高，而且壽命急劇縮短。式(1)是以滾珠絲杠壽命推導(dǎo)電動作動器壽命(轉(zhuǎn)數(shù))的計算公式，可見作動器的壽命與負載的三次方成反比。

(1)

其中：Lr為總轉(zhuǎn)數(shù)壽命，ca為基本額定動載荷，fw為載荷系數(shù)，F(xiàn)l為總載荷。

針對電動作動器存在的問題，提出一種新型電動作動器方案——液壓助力式電動作動器，它采用液壓助力電動缸作為執(zhí)行機構(gòu)，可以使作動器的功率和壽命提高、噪聲降低、抗沖擊性能提高，并保證作動器良好的位置控制精度。

1　作動器原理

液壓助力式電動作動器的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由上位機、下位機、執(zhí)行機構(gòu)和若干傳感器組成。上位機是一臺計算機，主要完成人機交互、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)監(jiān)測、顯示及記錄。下位機主要由可編程邏輯控制器(PLC)和交流伺服驅(qū)動器構(gòu)成，主要功能是接收上位機的指令并解算，根據(jù)解算結(jié)果控制交流伺服電機運轉(zhuǎn)；此外下位機還要完成作動器運行狀態(tài)的監(jiān)測，傳感器數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換及上傳等功能。傳感器主要完成對作動器運行狀態(tài)參數(shù)的采集，實現(xiàn)控制閉環(huán)及運行狀態(tài)監(jiān)測。執(zhí)行機構(gòu)主要由交流伺服電機、液壓助力電動缸、液壓油源和比例換向閥組成。電機在驅(qū)動器的驅(qū)動下，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)位置和速度控制；液壓助力電動缸采用混合動力源，將滾珠絲杠的作用力和液壓系統(tǒng)的作用力合成：當(dāng)載荷小于設(shè)定的絲杠承載能力時，液壓系統(tǒng)不工作，絲杠單獨提供功率輸出；當(dāng)載荷大于設(shè)定的絲杠承載能力時，液壓系統(tǒng)和絲杠共同提供所需功率輸出，實現(xiàn)較大的承載能力。比例減壓閥采用伺服電機的電流作為控制信號，主要實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)和換向。

圖1　液壓助力式電動作動器原理圖

2　仿真模型參數(shù)定義

設(shè)定液壓助力式電動作動器的零位在中間，規(guī)定負載及活塞桿位移的方向如圖2 所示。載荷方向與活塞運動方向相反時，載荷稱為阻力型載荷；反之，稱為助力型載荷。

圖2　參數(shù)定義

3　不同工況下作動器性能研究

船舶在水面或水下航行時，舵葉承受的載荷受多種因素的影響，包括風(fēng)浪、航速、轉(zhuǎn)向等。出于航行安全的需要，要求在任何惡劣環(huán)境下作動器能夠?qū)Υ皩嵤┯行У目刂?，因此研究不同工況下作動器的性能具有重要現(xiàn)實意義。

液壓助力式電動作動器采用絲杠傳動——液壓助力的方式提供轉(zhuǎn)舵力矩，當(dāng)載荷值小于設(shè)定的絲杠承載標準值時，將之稱為輕載荷；反之，稱為重載荷。當(dāng)作用在舵葉上的載荷為輕載荷時，僅滾珠絲杠的推力就能滿足功率需求，不需要液壓系統(tǒng)提供助力作用，這種情況比較簡單，這里重點研究重載荷工況下作動器的性能。

作動器的位移誤差計算如下：

Δs=Δs1+Δs2+Δs3+Δs4

(2)

其中， Δs1為伺服電機控制誤差，Δs2為減速器齒輪嚙合間隙誤差，Δs3為絲杠傳遞誤差，Δs4為液壓脈動引起的誤差。

3.1　恒定載荷作用下作動器性能研究

下面研究重載荷時最典型工況下作動器的性能，即假設(shè)在轉(zhuǎn)舵過程中，舵葉所受載荷大小恒定，方向始終與運動方向相反，即始終為阻力型載荷，載荷大小為100 kN。

1) 控制精度分析

液壓助力式電動作動器完成了2次周期為40 s，幅值為225 mm的往復(fù)運動，最后10 s停止運動。圖3為PID控制器和模糊PID控制器作用下，作動器的跟蹤誤差曲線。

圖3　位移誤差1

由圖可以看出，在恒定正載荷作用下，液壓助力式電動作動器在兩種控制器作用下的最大跟蹤誤差都出現(xiàn)在換向時，且正向跟蹤誤差比反向跟蹤誤差??；PID控制器和模糊PID控制器的正向最大跟蹤誤差分別為2.0 mm和1.2 mm；反向最大跟蹤位差分別為2.4 mm和1.5 mm；PID控制器的穩(wěn)態(tài)誤差為1.0 mm，模糊PID控制器的穩(wěn)態(tài)誤差為0.8 mm。

綜合來看，采用模糊PID控制器作動器的響應(yīng)速度更快，控制效果更好，滿足船舶舵機的性能要求，能較好地實現(xiàn)位置控制，并具有較好地動態(tài)精度。這是因為液壓助力式電動作動器采用機械傳動，液壓助力的形式，位置控制精度相對液壓作動器更容易保證。

2) 機液耦合性能分析

液壓助力式電動作動器運動過程中，一個重要的方面是保證絲杠作用力與液壓作用力的良好耦合，控制絲杠承受的載荷在允許承載范圍內(nèi)。設(shè)定絲杠承受的標準載荷為10 kN，最大載荷為30 kN。在運動過程中，絲杠作用力如圖4所示。

圖4　絲杠作用力-時間曲線1

由圖4可以看出，在兩種控制器作用下，絲杠穩(wěn)定狀態(tài)時承受的載荷均接近設(shè)定標準值10 kN；在換向時絲杠承受的載荷增大，PID控制器作用下絲杠載荷的最大值為27 kN，模糊PID控制器作用下的最大值為16 kN，這是因為：一方面換向時液壓系統(tǒng)在液壓缸的兩個腔內(nèi)建立起所需壓力需要一定的時間，具有滯后性；另一方面，為了將液壓系統(tǒng)的換向沖擊減到最小，通過調(diào)整PID的參數(shù)，延長了液壓缸內(nèi)壓力建立的時間。絲杠承受的載荷迅速減小到設(shè)定值附近，且最大載荷在絲杠最大承載范圍內(nèi)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)模糊PID控制器的響應(yīng)速度更快，說明模糊PID控制器取得了良好的控制效果，實現(xiàn)了液壓助力式電動作動器機液的良好耦合。

3.2　周期載荷作用下作動器性能研究

作動器朝正向運動時，設(shè)定海浪對舵葉的作用力是平均值為100 kN，變化幅值A(chǔ)=20 kN，頻率為0.2 Hz的正弦周期性載荷。

1) 控制精度分析

液壓助力式電動作動器勻速朝正向運動40 s，最大位移225 mm。從圖5可以看到，當(dāng)載荷作周期性變化時，作動器的最大位移誤差出現(xiàn)在系統(tǒng)剛啟動時，PID控制器的最大誤差值為1.65 mm，模糊PID控制器的最大誤差為1.3 mm；穩(wěn)定狀態(tài)下，PID控制器和模糊PID控制器作用下的作動器位移誤差也作周期性波動，PID控制器的誤差波動范圍比模糊PID控制器的波動范圍大，PID控制器的位移誤差在1.05 mm附近上下波動，模糊PID控制器的位移誤差在1.0 mm附近上下波動，作動器在兩種控制器作用下都取得了良好的控制效果，但模糊PID控制器比PID控制器的控制性能更好。

圖5　位移誤差2

2) 機液耦合性能分析

由圖6可知，當(dāng)載荷作周期性變化時，絲杠作用力也會以相同的頻率作周期性變化。在啟動時，絲杠上的作用力最大：PID控制器作用下，絲杠的最大作用力接近18.5 kN，模糊PID控制器作用下，絲杠的最大作用力接近14.5 kN。穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)載荷波動的峰谷差達到40 kN時，PID控制器作用下的絲杠作用力的峰谷差約為4 kN，模糊PID控制器作用下絲杠上的最大作用力的峰谷差只有2.5 kN左右，模糊PID控制器作用下絲杠的作用力更接近設(shè)定值10 kN。從圖中可以看到，模糊PID控制器作用下液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，從而減少絲杠重載下的工作時間，有利于提高作動器壽命，說明與PID控制器相比，模糊PID控制器作用下液壓助力式電動作動器電動與液壓助力的耦合性更好。

圖6　絲杠作用力-時間曲線2

3.3　突變載荷作用下作動器性能研究

作動器朝正向運動時，載荷突然變大和減小工況下，作動器在兩種控制器作用下的控制性能。初始載荷為100 kN，在20 s時載荷突然增至150 kN，40 s時又突然減小到100 kN。

1) 控制精度分析

在突變載荷作用下，液壓助力式電動作動器朝正向勻速運動40 s，最大位移225 mm，作動器位移誤差如圖7所示。

圖7　位移誤差3

由圖7可以看出，最大位移誤差出現(xiàn)在系統(tǒng)啟動時，這是由系統(tǒng)響應(yīng)的滯后性造成的。PID控制器作用下的最大位移誤差為1.9 mm，模糊PID控制器作用下的最大位移誤差為1.3 mm。在100 kN載荷作用下，PID控制器作用下作動器的穩(wěn)態(tài)位移誤差為1.5 mm，模糊PID控制器作用下的穩(wěn)態(tài)位移誤差為1.0 mm；載荷由100 kN突然增大至150 kN時，PID控制器作用下作動器的位移誤差增大至接近1.8 mm，模糊PID控制器作用下作動器的位移誤差增大至接近1.2 mm；載荷由150 kN突然減小至100 kN時，PID控制器作用下作動器的位移誤差減小至接近1.2 mm，模糊PID控制器作用下作動器的位移誤差減小至接近0.8 mm。

綜上可見，模糊PID控制器作用下作動器的初始位移誤差相對較小，且載荷發(fā)生突變時，誤差波動較小，說明作動器在模糊PID控制器作用下的位置控制精度比PID控制器高。

2) 機液耦合性能分析

突變載荷作用下，液壓助力式電動作動器的滾珠絲杠作用力如圖8所示：絲杠最大作用力發(fā)生在系統(tǒng)啟動時，這是由于液壓系統(tǒng)壓力建立的滯后性造成的，液壓系統(tǒng)建立起所需壓力需要一定的時間，同時為了避免壓力沖擊， 改變PID參數(shù)也有一定影響。 在PID控制器和模糊PID控制器作用下， 作動器滾珠絲杠的最大作用力分別為13 kN和12.4 kN；載荷由100 kN突然增大至150 kN時，PID控制器和模糊PID控制器作用下作動器滾珠絲杠的最大作用力分別增大至13.3 kN和11.3 kN；載荷由150 kN突然減小至100 kN時，PID控制器和模糊PID控制器作用下作動器滾珠絲杠的最大作用力分別減小至6.8 kN和8.9 kN，最終由穩(wěn)定在設(shè)定的10 kN左右。

圖8　絲杠作用力-時間曲線3

可以看到，模糊PID控制器作用下作動器絲杠上的作用力變化范圍更小，絲杠的承載更穩(wěn)定。

4　結(jié)論

通過仿真分析液壓助力式電動作動器在不同工況下的控制性能，發(fā)現(xiàn)液壓助力式電動作動器在兩種控制器作用下都具有較好的位置控制精度和機液耦合性能，但模糊PID控制器對液壓助力式電動作動器的控制效果比PID控制器好。液壓助力式電動作動器不僅具有良好的動態(tài)位置精度和靜態(tài)位置精度，而且較好地實現(xiàn)了液壓與電動的耦合，液壓與電動共同承擔(dān)載荷與沖擊，實現(xiàn)功率分散，對提高電動作動器功率、壽命和抗沖擊能力、降低作動器噪聲有重要意義。

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