飛機電液伺服作動系統(tǒng)建模及分析探究

何歡

（中航飛機股份有限公司，陜西 西安 710089）

伺服系統(tǒng)作為自動控制系統(tǒng)一類，控制被控對象的某種狀態(tài)使其能自動、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。應(yīng)用廣泛，主要包括各種速度控制、力控制、位置控制和運動軌跡控制。飛機舵面操縱常采用位置控制產(chǎn)生期望的力和力矩。本文探究作動系統(tǒng)為電液驅(qū)動位置伺服作動系統(tǒng)，采用電信號輸入、液壓動力輸出方式，接入動力源的功率輸入，根據(jù)飛控計算機的指令，按照規(guī)定的靜態(tài)/動態(tài)要求，實現(xiàn)對飛機氣動舵面的控制，為穩(wěn)定和控制飛行器提供需要的力和力矩。

1 伺服作動系統(tǒng)的具體組成

伺服作動系統(tǒng)典型構(gòu)成如圖1 所示，主要包含控制器和作動器兩部分。其中伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換裝置，是作動器的核心機構(gòu)。其原理在于接收電流指令，使擋板偏轉(zhuǎn)，節(jié)流面積差使液壓放大器橋路不平衡，在閥芯上產(chǎn)生驅(qū)動力。閥芯運動時，閥口開啟，產(chǎn)生輸出流量正比于閥芯位移，而反饋彈簧產(chǎn)生反饋力抵制輸入力，當反饋力等于輸入力，閥芯運動停止。

圖1 典型的作動系統(tǒng)

2 伺服作動系統(tǒng)建模

對作動系統(tǒng)進行建模，從物理原理的角度進行分析，依次以作動筒、作動桿為對象建立牛頓第二定律方程；對每個轉(zhuǎn)換、放大和反饋環(huán)節(jié)建立方程；建立流量連續(xù)方程。同時，考慮系統(tǒng)剛度對系統(tǒng)建模和建模方程產(chǎn)生的影響，依次建立忽略剛度雙作動系統(tǒng)、考慮剛度的單作動系統(tǒng)和考慮剛度的雙作動系統(tǒng)。

2.1 電液系統(tǒng)閉環(huán)方程

（1）系統(tǒng)輸入指令誤差。位移傳感器反饋電壓與輸入電壓進行比較，成為輸入指令誤差。其中為作動系統(tǒng)輸入電壓，為線位移傳感器反饋電壓，e 為作動系統(tǒng)伺服放大電壓。

（2）伺服放大環(huán)節(jié)。伺服放大環(huán)節(jié)作用在于將伺服放大電壓信號轉(zhuǎn)換為伺服閥所需電流信號。通過電流信號的變化，改變閥內(nèi)磁鐵的位置進而改變流量。其中為伺服放大輸出電流，為伺服放大增益。

（3）滑閥流量方程。當伺服閥頻寬遠大于液壓固有頻率（5 ～10 倍）時，伺服閥可看作比例環(huán)節(jié)；當伺服閥頻寬大于液壓固有頻率（3 ～5 倍）時，可將電液伺服閥看作慣性環(huán)節(jié)。

（4）液壓缸流量連續(xù)性方程。由液壓缸特性，流入作動筒的流量用來推動活塞運動，補償內(nèi)/外泄露流量和補償油液壓縮和腔體變形所需流量。

（5）位移傳感器反饋方程。位移傳感器用來測量作動筒和作動桿相對位移，并將差值以電壓信號形式進行反饋。其中為位移傳感器反饋系數(shù)。

2.2 忽略剛度的雙作動系統(tǒng)建模

2.3 考慮剛度的單作動系統(tǒng)建模

2.4 考慮剛度的雙作動系統(tǒng)建模

3 伺服作動系統(tǒng)分析

3.1 參數(shù)仿真

對上述方程進行拉氏變換，在Simulink 中搭建考慮剛度的雙作動系統(tǒng)模型框圖，如圖2。帶入一組舵機參數(shù)后，可得到仿真曲線結(jié)果。

圖2 考慮剛度的雙作動系統(tǒng)框圖

3.2 誤差分析

伺服作動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差由輸入信號、外擾負載力和內(nèi)擾引起。由跟隨誤差計算可知，系統(tǒng)輸入階躍信號時跟隨誤差為0。負載誤差e 為：

4 結(jié)語

本文對飛機電液伺服作動系統(tǒng)進行動力學建模仿真和分析，不同的物理結(jié)構(gòu)對應(yīng)有不同的數(shù)學方程。在后續(xù)舵機設(shè)計和選型的過程中，結(jié)構(gòu)剛度、作動器安裝方式和安裝位置對伺服作動的影響需要考慮在內(nèi)。結(jié)構(gòu)剛度過小將破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性，作動器位置會影響負載力的變化情況。為了減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差以實現(xiàn)精確控制，有必要增大整個系統(tǒng)增益。仿真圖如圖3。

圖3 考慮剛度雙作動系統(tǒng)仿真圖