一種電液負(fù)載模擬器多余力的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方法

趙書尚，孫淑瑞，李閣強(qiáng)

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

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一種電液負(fù)載模擬器多余力的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方法

趙書尚，孫淑瑞，李閣強(qiáng)

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

電液負(fù)載模擬器屬于典型的被動式電液力伺服系統(tǒng)。為抑制和消除系統(tǒng)內(nèi)固有的強(qiáng)多余力干擾，本文突破傳統(tǒng)的從干擾補(bǔ)償?shù)慕嵌认嘤嗔Φ姆椒ǎ⑽恢孟到y(tǒng)和加載系統(tǒng)耦合在一起的單輸入雙輸出系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析研究被動式電液力伺服系統(tǒng)的力/位耦合機(jī)理并以結(jié)構(gòu)解耦為出發(fā)點(diǎn)，提出一種采用復(fù)式結(jié)構(gòu)伺服馬達(dá)進(jìn)行同步結(jié)構(gòu)解耦的加載新原理，以此來消除系統(tǒng)中的多余力。仿真結(jié)果表明：此方法可以有效地消除小梯度加載時(shí)負(fù)載模擬器的多余力。

被動式；電液負(fù)載模擬器；復(fù)式結(jié)構(gòu)伺服馬達(dá)；結(jié)構(gòu)補(bǔ)償

0 引言

在早期飛行器研制過程中，往往需要多次進(jìn)行具有自破壞性的全實(shí)物現(xiàn)場試驗(yàn)，這種試驗(yàn)不僅不具備可控性且難以得到準(zhǔn)確完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為克服全實(shí)物現(xiàn)場試驗(yàn)的缺陷，電液負(fù)載模擬器應(yīng)運(yùn)而生，它可以用于實(shí)驗(yàn)室條件下半實(shí)物地模擬承載系統(tǒng)所受載荷，對承載系統(tǒng)進(jìn)行載荷性能測試以保證產(chǎn)品性能，具有良好可控性及低破壞性，且試驗(yàn)可以多次重復(fù)，方便記錄，多組數(shù)據(jù)可進(jìn)行對比分析[1]。

然而，電液負(fù)載模擬器系統(tǒng)內(nèi)存在固有的強(qiáng)多余力干擾，它的存在降低了電液負(fù)載模擬器的頻響與精度[2]，為提高電液負(fù)載器性能，如何消除多余力干擾成為國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的關(guān)鍵問題。目前，消除多余力的方法主要分為控制補(bǔ)償與結(jié)構(gòu)補(bǔ)償兩類：控制補(bǔ)償方法調(diào)節(jié)比較方便，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法[3]、混合靈敏度控制方法[4]等；結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方法[5]不易受外界因素影響，抗干擾能力強(qiáng)，如雙閥流量補(bǔ)償方案、同步反向補(bǔ)償方案[6]等。本質(zhì)上，以上方法均是將負(fù)載模擬器的多余力看作是一種干擾，從干擾補(bǔ)償?shù)慕嵌瘸霭l(fā)抑制和消除多余力。本文將多余力視為電液負(fù)載模擬器加載模塊與被加載模塊之間的力/位耦合，從如何解除耦合出發(fā)，提出一種基于復(fù)式伺服馬達(dá)的同步結(jié)構(gòu)解耦方法，并利用AMEsim建立模型并仿真，基于仿真結(jié)果證實(shí)此種方法的合理性及有效性。

1 負(fù)載模擬器數(shù)學(xué)模型

1.加載馬達(dá)；2.扭矩傳感器；3.剛性連接軸;4.承載馬達(dá);5.角位移傳感器；6.承載系統(tǒng)伺服閥;7.數(shù)據(jù)采集卡;8.加載系統(tǒng)伺服閥;9.計(jì)算機(jī)。

1.1 負(fù)載模擬器工作原理

圖1為負(fù)載模擬器的運(yùn)行原理圖[7]。由加載馬達(dá)、加載系統(tǒng)伺服閥、扭矩傳感器構(gòu)成了負(fù)載模擬器的加載模塊，承載馬達(dá)、承載系統(tǒng)伺服閥、角位移傳感器構(gòu)成了負(fù)載模擬器承載模塊。加載模塊接收力矩信號，承載模塊接收角位移信號，兩個(gè)模塊分別通過相應(yīng)的傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。

1.2 負(fù)載模擬器數(shù)學(xué)模型

將負(fù)載模擬器的加載模塊與加載對象模塊均看作閥控馬達(dá)系統(tǒng)，應(yīng)用傳統(tǒng)假設(shè)[8]，將加載馬達(dá)與被加載馬達(dá)的結(jié)構(gòu)參數(shù)看作一樣，從而得出加載模塊、承載模塊及整個(gè)負(fù)載模擬器的方塊圖。

1.2.1 加載模塊方塊圖

將整個(gè)加載對象模塊看作是加載模塊外部的等效負(fù)載。在不考慮非線性和油液質(zhì)量影響的前提下，閥的線性化方程、加載馬達(dá)的流量連續(xù)性方程以及力矩的平衡方程分別見式(1)～式(3)。

(1)

QL=KqXv-KcPL；

(2)

T=PLDm=Jms2θm+Bmsθm+G(θm-θ1)，

(3)

式中：QL為加載伺服閥的負(fù)載流量，m3/s；Kq為加載伺服閥的流量增益，m2/s；Xv為加載模塊伺服閥的閥芯開口量，m；Kc為加載模塊伺服閥流量-壓力系數(shù)，m5/(N·s)；PL為加載馬達(dá)腔的負(fù)載壓力，N/m2；Dm為加載馬達(dá)的理論排量，m3/rad；θm為加載馬達(dá)角位移，rad；Ctm為加載馬達(dá)總泄漏系數(shù)，m5/(N·s)；Vm為加載馬達(dá)腔和連接管道的總?cè)莘e，m3；βe為有效容積彈性模量，N/m2；T為扭矩傳感器輸出力矩，N·m；Jm為加載馬達(dá)轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Bm為加載馬達(dá)黏性阻尼系數(shù)，N·ms/rad；s為復(fù)頻率；G為連接軸扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/rad；θ1為承載系統(tǒng)角位移，rad。

一般情況下，伺服閥的傳遞函數(shù)可以簡化為二階振蕩環(huán)節(jié)。故加載模塊的伺服閥傳遞函數(shù)可表示為式(4)。同時(shí)，將伺服放大器、扭矩傳感器看做比例環(huán)節(jié)，分別列出式(5)和式(6)。

(4)

(5)

(6)

式中：Q為伺服閥輸出流量，m3/s；I為伺服閥的輸入電流，A；Ka為控制器增益，A/V；Ksv為伺服閥流量增益，m3/(s·A)；ωsv為伺服閥的固有頻率，rad/s；εsv為伺服閥阻尼因數(shù)；Kf為扭矩傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)，V/(N·m)；U為扭矩傳感器的輸出電壓，V；T為扭矩傳感器輸出力矩，N·m。

經(jīng)整理，得到加載模塊的方塊圖，如圖2所示。圖2中，Kce為加載模塊總流量-壓力系數(shù)；Tr為指令力矩信號。

圖2 加載模塊方塊圖

1.2.2 承載模塊方塊圖

承載模塊是一個(gè)電液位置伺服模塊，它的3個(gè)基本方程以及伺服閥、伺服放大器傳遞函數(shù)與加載模塊一致，見式(1)～式(5)，各個(gè)參數(shù)物理意義相同，以下用下標(biāo)為1的參數(shù)表示對應(yīng)的承載模塊參數(shù)。把角位移傳感器當(dāng)作比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)見式(7)。經(jīng)整理得到承載模塊的方塊圖，如圖3所示。圖3中，θr為指令角位移信號。

(7)

其中：Kb為角位移傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)，V/rad；U為角位移傳感器輸出電壓，V；θf為角位移傳感器測得的角度，rad;推導(dǎo)過程不再詳述。

1.2.3 負(fù)載模擬器系統(tǒng)方塊圖

加載模塊方塊圖與承載模塊方塊圖表征了負(fù)載模擬器力/位耦合機(jī)理。加載模塊輸出力矩由兩方面決定：其一是加載模塊的給定加載力矩；其二是由承載模塊馬達(dá)角位移引起的耦合力矩。與此同時(shí)，承載模塊輸出角位移也由兩部分構(gòu)成：其一為承載模塊的給定角位移；其二為加載模塊輸出力矩引起的耦合角位移。承載與加載模塊之間相互影響，引起了強(qiáng)的力/位耦合。

圖3 承載模塊方塊圖

2 采用復(fù)式伺服馬達(dá)的結(jié)構(gòu)解耦方法

2.1 采用復(fù)式伺服馬達(dá)作為加載裝置的負(fù)載模擬器運(yùn)行原理

1.角位移傳感器;2.復(fù)式伺服馬達(dá);3.扭矩傳感器;4.連接軸;5.承載馬達(dá);6.角位移傳感器;7.承載系統(tǒng)伺服閥;8.加載系統(tǒng)伺服閥;9.計(jì)算機(jī);10.數(shù)據(jù)采集卡。

采用復(fù)式伺服馬達(dá)作為加載裝置的系統(tǒng)工作原理圖[9]如圖4所示。圖4中，2為復(fù)式伺服馬達(dá)，為表達(dá)清晰，將復(fù)式伺服馬達(dá)拆為兩個(gè)部分，左側(cè)為同步馬達(dá)，右側(cè)為加載馬達(dá)，實(shí)際馬達(dá)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，同步馬達(dá)與加載馬達(dá)嵌套在一起，為一個(gè)馬達(dá)，稱為復(fù)式伺服馬達(dá)；其他組成部分的意義與圖1相同。

2.2 采用復(fù)式伺服馬達(dá)進(jìn)行同步結(jié)構(gòu)解耦的原理

加載馬達(dá)轉(zhuǎn)子的一端與承載馬達(dá)轉(zhuǎn)子伸出軸剛性連接。位于承載馬達(dá)上的角位移傳感器記錄承載馬達(dá)的轉(zhuǎn)角位移，與此同時(shí)，同步馬達(dá)轉(zhuǎn)子上也安裝有角位移傳感器記錄其馬達(dá)轉(zhuǎn)角位移，通過信號線將角度信號引入控制器，使承載馬達(dá)轉(zhuǎn)角位移與同步馬達(dá)轉(zhuǎn)角位移相等。如此，則承載馬達(dá)與同步馬達(dá)處于相對靜止，這時(shí)候加載馬達(dá)給承載馬達(dá)加載力或者力矩就變成了主動加載。從系統(tǒng)方塊圖(見圖4)分析結(jié)果上看：承載系統(tǒng)角位移引起了加載系統(tǒng)的耦合力(矩)，若兩者相對靜止，則相當(dāng)于沒有承載系統(tǒng)角位移引起的耦合力(矩)，從而達(dá)到了解耦的目的。因此，加載模塊同步馬達(dá)與承載模塊承載馬達(dá)的同步程度直接影響耦合的解除程度。

3 采用復(fù)式伺服馬達(dá)同步解耦方法的AMESim仿真分析

利用AMEsim中的cam phaser chambers(凸輪相位器室)來模擬馬達(dá)、液壓孔模擬馬達(dá)的內(nèi)泄，回路中引入反饋信號，保證復(fù)式伺服馬達(dá)中的同步馬達(dá)與承載模塊中的承載馬達(dá)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動。由于小梯度加載是被動式電液力伺服系統(tǒng)的難點(diǎn)，本文將以小梯度加載為研究對象，分析采用復(fù)式伺服馬達(dá)作為加載裝置是否可以有效消除負(fù)載模擬器的力/位耦合。

取加載梯度為4 N·m/(°)，連接軸剛度4 N·m/(°)，對負(fù)載模擬器施加不同頻率的角位移信號，在3 Hz、15 Hz頻率下，承載模塊和加載模塊的響應(yīng)曲線見圖5。為更清楚地區(qū)分各個(gè)曲線，使用相同的橫坐標(biāo)、不同的縱坐標(biāo)。角位移響應(yīng)曲線圖中，指令曲線對應(yīng)A縱坐標(biāo)，承載馬達(dá)響應(yīng)對應(yīng)B縱坐標(biāo)，同步馬達(dá)響應(yīng)對應(yīng)C縱坐標(biāo)；力矩響應(yīng)曲線圖中，指令曲線對應(yīng)A縱坐標(biāo)，輸出力矩響應(yīng)對應(yīng)B縱坐標(biāo)。圖5a和圖5b分別表示在3 Hz頻率下的角位移與力矩響應(yīng)。由圖5a和圖5b可以看出：加載模塊同步馬達(dá)與承載模塊承載馬達(dá)同步性很好，幅值幾乎相同，相位滯后很小，解耦很徹底，力矩曲線跟隨很好。圖5c和圖5d分別表示在15 Hz頻率下的角位移和力矩響應(yīng)。由圖5c和圖5d可以看出：加載模塊同步馬達(dá)與承載模塊承載馬達(dá)之間略有不同步，因此力矩曲線跟隨略差。綜上所述，低頻段采用復(fù)式同步伺服馬達(dá)能夠有效地解除負(fù)載模擬器的力/位耦合。加載模塊的跟蹤性能隨給定信號頻率的增加略有下降，這與未加入任何算法進(jìn)行精密控制，僅依靠自身反饋有關(guān)。但是在15 Hz頻率下仍能保證幅值的衰減在10%以內(nèi)，相位的滯后在10°以內(nèi)，是滿足“雙十”指標(biāo)的。

圖5 角位移與力矩響應(yīng)曲線圖

4 結(jié)論

將負(fù)載模擬器看作是單輸入雙輸出的伺服系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，分析了負(fù)載模擬器力/位耦合機(jī)理，即：加載模塊的輸出力矩受承載模塊角位移影響，與此同時(shí)，承載模塊角位移又受加載模塊輸出力矩的影響，兩者相互影響，相互作用。為解除耦合，提出了一種基于復(fù)式伺服馬達(dá)進(jìn)行同步結(jié)構(gòu)解耦的方法，小梯度加載下的仿真分析結(jié)果表明使用該方法可以有效地解除耦合。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175148)

趙書尚(1969-),男,山東青島人,副教授,碩士,主要從事測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)電控制技術(shù)方面的研究.

2014-12-31

1672-6871(2015)04-0023-04

TH137

A