一種關(guān)于飛機(jī)不同作動(dòng)系統(tǒng)功耗對(duì)比研究的仿真方案

胡肖亨　郭建偉　王小英

【摘 要】機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣會(huì)對(duì)飛機(jī)的操縱特性造成重大的影響，而能源功耗是機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。本文利用仿真軟件，提出了一種關(guān)于飛機(jī)功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)與飛機(jī)傳統(tǒng)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)功耗對(duì)比研究的仿真方案，并通過(guò)設(shè)計(jì)不同的模型參數(shù)來(lái)對(duì)比研究不同作動(dòng)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)相同舵面按同樣軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)的能源功耗。

【關(guān)鍵詞】功耗對(duì)比；仿真方案；作動(dòng)系統(tǒng)

0 引言

功率電傳是指由飛機(jī)次級(jí)能源系統(tǒng)至作動(dòng)系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的功率傳輸通過(guò)電導(dǎo)線以電能量方式完成，而不是通過(guò)遍布機(jī)身的液壓管路里的油液來(lái)傳遞功率。用于飛行控制系統(tǒng)的電力作動(dòng)系統(tǒng)采用功率電傳的功率傳輸方式，因而通常稱之為功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)。目前的功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)主要有三類：電動(dòng)靜液作動(dòng)系統(tǒng)（EHA）方案，機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)（EMA），和集成包裝作動(dòng)系統(tǒng)（IAP）方案。

飛機(jī)功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)與飛機(jī)傳統(tǒng)液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)的對(duì)比研究，需要考慮諸多因素，比如液壓系統(tǒng)與飛控作動(dòng)器的重量，作動(dòng)系統(tǒng)的能源功耗，作動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，作動(dòng)系統(tǒng)的余度，作動(dòng)系統(tǒng)的性能，作動(dòng)系統(tǒng)的安裝空間，以及作動(dòng)系統(tǒng)的成本。

本文簡(jiǎn)化了由中央液壓源提供能量的液壓作動(dòng)系統(tǒng)和由大功率電源供能的電力作動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，提出一種關(guān)于兩套作動(dòng)系統(tǒng)能源功耗對(duì)比研究的仿真方案。文中還通過(guò)設(shè)置不同的模型參數(shù)比較了不同作動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)相同功能情況下的能源功耗情況。

1 功耗對(duì)比方案

飛機(jī)功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)與飛機(jī)傳統(tǒng)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)的功耗對(duì)比研究思路如圖1所示。給飛機(jī)傳統(tǒng)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)的作動(dòng)器活塞桿輸入一個(gè)指定的運(yùn)動(dòng)位置曲線，通過(guò)PID反饋調(diào)節(jié)，使作動(dòng)器活塞桿的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線與指定的運(yùn)動(dòng)曲線相吻合，查看并記錄該電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)的液壓功率輸入值，即壓力與流量的乘積值。用同樣的方法，給飛機(jī)功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)輸入一個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)位置曲線，通過(guò)PID反饋調(diào)節(jié)，使作動(dòng)器活塞桿的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線與指定的運(yùn)動(dòng)曲線相一致，查看并記錄此時(shí)功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)的電功率輸入值，即電壓與電流的乘積值。比較以上的兩組數(shù)值，就相當(dāng)于比較了不同作動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)相同系統(tǒng)輸出情況下的的功耗情況。

1.1 傳統(tǒng)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型

傳統(tǒng)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型框圖如圖2所示，給定一條舵面鉸鏈力矩輸入曲線，同時(shí)輸入一條作動(dòng)器活塞桿位置指令信號(hào)曲線。指令信號(hào)與實(shí)際位置反饋信息經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)以后，PID的輸出值傳送給電液伺服閥，電液伺服閥通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯的開(kāi)口大小來(lái)調(diào)節(jié)液壓回路的流量，從而控制作動(dòng)器活塞桿的運(yùn)動(dòng)?；钊麠U的運(yùn)動(dòng)速率和位置信息輸入給飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)和作動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型，得到作動(dòng)器活塞桿的實(shí)際位置。在液壓輸入端添加壓力和流量傳感器，檢測(cè)模型仿真過(guò)程中得到的壓力和流量值，根據(jù)檢測(cè)得到的值就可以計(jì)算出傳統(tǒng)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)在整個(gè)仿真過(guò)程中的功耗。

1.2 功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型

功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型框圖如圖3所示，給定與傳統(tǒng)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)仿真相同的舵面鉸鏈力矩輸入曲線，以及相同的作動(dòng)器活塞桿位置指令信號(hào)?；钊麠U的位置指令信號(hào)與實(shí)際位置反饋值經(jīng)PID調(diào)節(jié)以后輸入給電壓源，調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓。液壓回路通過(guò)控制定量泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)液壓回路的流量，從而控制作動(dòng)器活塞桿的速度和位置。在電壓輸入處添加電壓和電流傳感器，檢測(cè)電路中的電壓和電流值，從而可以計(jì)算出整個(gè)仿真過(guò)程中功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)的功耗。

2 結(jié)果分析

傳統(tǒng)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)中作動(dòng)器活塞桿的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖4，圖中藍(lán)線表示作動(dòng)器活塞桿的位置指令信號(hào)，紅線表示經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)以后，作動(dòng)器活塞桿的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。活塞桿由中立位運(yùn)動(dòng)到伸出端，保持伸出位置一定時(shí)間，然后再?gòu)纳斐龆诉\(yùn)動(dòng)到縮回位置。圖中紅線與藍(lán)線基本重合，可以等效的看成作動(dòng)器活塞桿實(shí)際運(yùn)動(dòng)與位置指令相符。

傳統(tǒng)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)的功耗情況見(jiàn)圖5，由于活塞桿實(shí)際運(yùn)動(dòng)到伸出和縮回位置的時(shí)候，有一段超過(guò)指令行程的位置，這一段矩離超出了活塞筒的極限行程，所以有一個(gè)很大的脈動(dòng)功耗，該功耗的值約是正常功耗數(shù)值的1.5倍。

功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr=1kg·m2時(shí)作動(dòng)器活塞桿的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示，圖中藍(lán)線表示作動(dòng)器活塞桿的位置指令信號(hào)，紅線表示經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)以后，作動(dòng)器活塞桿的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲軌跡。首先活塞桿由中立位運(yùn)動(dòng)到伸出端，保持伸出位置一定時(shí)間，然后再?gòu)纳斐龆诉\(yùn)動(dòng)到縮回位置。圖中紅色基本與藍(lán)線重合，也就是說(shuō)作動(dòng)器活塞桿實(shí)際運(yùn)動(dòng)與位置指令相符。

功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr=1kg·m2時(shí)的功耗曲線如圖7所示。當(dāng)作動(dòng)器活塞桿運(yùn)動(dòng)到伸出和縮回位置的過(guò)程中，作動(dòng)系統(tǒng)功耗較大，最大功耗值達(dá)到2.7×105W。當(dāng)活塞桿保持在伸出和縮回位置時(shí)，曲線小幅值抖動(dòng)。對(duì)比圖6和圖7，可以看到作動(dòng)系統(tǒng)功耗與活塞桿的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)應(yīng)。

功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr=10kg·m2時(shí)作動(dòng)器活塞桿的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示，圖中藍(lán)線表示作動(dòng)器活塞桿的位置指令信號(hào)，紅線表示經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)以后，作動(dòng)器活塞桿的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲軌跡。首先活塞桿由中立位運(yùn)動(dòng)到伸出端，保持伸出位置一定時(shí)間，然后再?gòu)纳斐龆诉\(yùn)動(dòng)到縮回位置。圖中紅色基本與藍(lán)線重合，也就是說(shuō)作動(dòng)器活塞桿實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況與位置指令相符。

功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr=10kg·m2時(shí)的功耗曲線如圖9所示，當(dāng)作動(dòng)器活塞桿運(yùn)動(dòng)到伸出和縮回位置的過(guò)程中，作動(dòng)系統(tǒng)功耗較大，最大功耗值達(dá)到6.4×106W。當(dāng)活塞桿保持在伸出和縮回位置時(shí)，曲線小幅值抖動(dòng)。對(duì)比圖8和圖9，可以看到作動(dòng)系統(tǒng)功耗與活塞桿的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)應(yīng)。對(duì)比圖7和圖9的功耗結(jié)果，可以得到不同電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)作動(dòng)系統(tǒng)的功耗影響。

3 總結(jié)

本文提出了一套用于仿真研究不同作動(dòng)系統(tǒng)功耗對(duì)比的方案，并通過(guò)仿真分析傳統(tǒng)架構(gòu)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)和功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)的功耗情況，驗(yàn)證了該方案的可行性。同時(shí)本文還通過(guò)設(shè)置功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)中不同的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值來(lái)模擬參數(shù)設(shè)置對(duì)作動(dòng)系統(tǒng)功耗結(jié)果的影響。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]