舵操縱機構(gòu)角頻率特性試驗技術(shù)

蘇華昌，付瑋，丁鎮(zhèn)軍，郭靜

(北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

舵系統(tǒng)是導彈常用的一種執(zhí)行機構(gòu)，通過向舵系統(tǒng)發(fā)送指令控制信號，導彈可以通過操縱舵面改變空氣動力的大小和方向來獲得控制力，以控制和穩(wěn)定導彈的飛行。舵系統(tǒng)通過綜合放大器對輸入控制信號和反饋信號比較產(chǎn)生的偏差信號進行變換和放大，然后輸出給舵機，驅(qū)使舵機產(chǎn)生輸出位移，再通過操縱機構(gòu)變成舵面的旋轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生所需的舵偏角；舵機輸出位移同時經(jīng)過反饋元件測量變成反饋信號，與輸入控制信號綜合產(chǎn)生控制偏差信號，進而構(gòu)成整個舵的閉合回路[1-2]。由于該回路直接與導彈彈體相聯(lián)，其性能也直接影響著姿控系統(tǒng)穩(wěn)定性。

為了保證整個導彈姿控性能，姿控設(shè)計時對舵系統(tǒng)頻率特性提出指標要求。舵系統(tǒng)頻率特性是姿控設(shè)計的原始依據(jù)，主要由舵機與舵機后系統(tǒng)2部分組成，舵機后系統(tǒng)指舵機到操縱面之間的一套機械傳動裝置[3]，通常稱為操縱機構(gòu)或傳動組件，本文中用操縱機構(gòu)表述，包含舵面稱為系統(tǒng)，以便于特性分析描述。通常舵機與操縱機構(gòu)分別設(shè)計，按傳統(tǒng)慣例，姿控設(shè)計只規(guī)定一個總指標要求，不單獨對舵系統(tǒng)再進行指標劃分，習慣把舵機頻率特性作為考核重點，將舵機測試結(jié)果作為產(chǎn)品交付驗收的依據(jù)。但是，舵系統(tǒng)整體都是姿控組成部分，如果設(shè)計時只考慮舵機特性，忽略了舵機后結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動特性影響，當結(jié)構(gòu)剛度較低時，結(jié)構(gòu)彈性會對整個舵系統(tǒng)特性產(chǎn)生重要影響，一方面限制了伺服的動態(tài)性能，導致舵面輸出特性超出指標要求；另一方面因為彈性共振，使得姿控系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，嚴重時容易發(fā)生伺服彈性問題[4-7]，而且，舵系統(tǒng)彈性還會影響舵面的顫振特性[8-10]。因此，為了保證舵系統(tǒng)整體指標要求，有必要對操縱機構(gòu)的頻率特性開展研究。

1 操縱機構(gòu)角頻率特性試驗方法

操縱機構(gòu)通常由多個結(jié)構(gòu)件組合而成，如鉸鏈軸承、銷釘、搖臂、轉(zhuǎn)軸等，這些結(jié)構(gòu)的剛度共同構(gòu)成了整個操縱機構(gòu)的剛度。操縱機構(gòu)與舵面組成系統(tǒng)作為舵機的負載，其動力學特性對舵機設(shè)計有較大的影響。在NASA結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)耦合標準中，明確分開成2部分進行描述，并將舵機后結(jié)構(gòu)動特性作為重要環(huán)節(jié)進行示意，如圖1[11]所示。由此可見，舵機后結(jié)構(gòu)動特性是非常重要的。

圖1 導彈控制回路中舵系統(tǒng)示意圖Fig.1 Dynamic diagram of rudder system in missile control loop

在目前舵系統(tǒng)研制過程中，通常舵操縱機構(gòu)不單獨進行試驗，僅在設(shè)計完成后，再組成系統(tǒng)開展頻率特性測試，辨識出其模型用于控制設(shè)計[12-13]。這種設(shè)計流程往往產(chǎn)生不良后果，當操縱機構(gòu)剛度設(shè)計不夠時，會導致舵面輸出特性無法滿足姿控設(shè)計要求。受產(chǎn)品設(shè)計周期影響，重新修改設(shè)計會大大延誤研制周期。另外，組裝在彈上后測試，受空間操作限制，操縱機構(gòu)一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)位置無法進行測量，不能判斷薄弱剛度所在位置，造成改進設(shè)計困難。只有設(shè)計單獨操縱機構(gòu)試驗，通過試驗對操縱機構(gòu)動態(tài)特性提前評估，才能及早查找結(jié)構(gòu)設(shè)計不足，為結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進提供有效依據(jù)，并為伺服設(shè)計提供有效彈性負載模型。操縱機構(gòu)將舵機輸出位移傳遞到舵面，中間經(jīng)過了多個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的剛度組合成了整個操縱機構(gòu)的剛度，影響著結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。操縱機構(gòu)系統(tǒng)的彈性特征通過頻率特性體現(xiàn)，經(jīng)過每一個環(huán)節(jié)，舵機輸出位移都會產(chǎn)生幅值和相位變化，也就是特性產(chǎn)生了變化，如果能夠測量每個環(huán)節(jié)前后頻率特性，通過對比分析各環(huán)節(jié)影響程度，確定出重要影響環(huán)節(jié)，就可以達到準確定位與快速改進的效果。

在舵系統(tǒng)狀態(tài)進行頻率特性測試時，通過向舵機伺服輸入指令信號，驅(qū)動作動器運動，作動器運動再驅(qū)動操縱機構(gòu)，實現(xiàn)舵面的偏轉(zhuǎn)運動。在系統(tǒng)級狀態(tài)時，伺服將液壓或電能轉(zhuǎn)化成機械運動，驅(qū)動作動器來實現(xiàn)激勵操縱機構(gòu)，開展操縱機構(gòu)單機試驗時，舵機通常還未設(shè)計完成，就需要找到一種合適代替方法。為了實現(xiàn)操縱機構(gòu)激勵，本文使用了基礎(chǔ)激勵方法，基礎(chǔ)激勵是一種強迫激勵方法，通過基礎(chǔ)或支承的運動來對結(jié)構(gòu)進行激勵。將操縱機構(gòu)輸入端固定，整體固支安裝在可以進行角振動的設(shè)備上，利用角振動基礎(chǔ)激勵，測量包括舵面在內(nèi)的各環(huán)節(jié)響應(yīng)，通過輸入與響應(yīng)數(shù)據(jù)分析出頻率特性，其結(jié)構(gòu)剛度就在特性中體現(xiàn)。為了驗證操縱機構(gòu)頻率特性試驗方法的有效性，下面進行理論推導驗證。

2 操縱機構(gòu)基礎(chǔ)激勵角頻率特性原理

舵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以簡化為多個轉(zhuǎn)動慣量、剛度與阻尼組成的系統(tǒng)，雖然作動器受到力激勵后產(chǎn)生線運動，也可將其等效成繞軸的力矩與角位移[14]，J0為其等效轉(zhuǎn)動慣量，J1，J2為簡化典型操縱機構(gòu)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的等效轉(zhuǎn)動慣量，k1，k2為傳動環(huán)節(jié)之間的連接剛度，θ0，θ1，θ2為傳動環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)角。為了推導計算方便，略去了阻尼項。力激勵與基礎(chǔ)激勵狀態(tài)示意如圖2所示。

圖2 簡化舵系統(tǒng)模型示意圖Fig.2 Simplified rudder system model schematic diagram

在系統(tǒng)級狀態(tài)試驗時，由力激勵的簡化模型得到其運動方程如下：

(1)

切換到頻域：

(2)

簡化表示為

Z(ω)θ(ω)=M(ω).

(3)

求阻抗Z的逆：

(4)

式中：

力激勵下的各環(huán)節(jié)響應(yīng)為

θ(ω)=Z(ω)-1M(ω)，

(5)

(6)

(7)

(8)

計算出力激勵下的頻率特性：

(9)

(10)

(11)

當操縱機構(gòu)單獨固支進行基礎(chǔ)激勵時，其運動方程為

(12)

切換到頻域

(13)

同樣簡化為

Z(ω)θ(ω)=U(ω).

(14)

基礎(chǔ)激勵下各環(huán)節(jié)響應(yīng)為

(15)

(16)

計算出基礎(chǔ)運動激勵下的頻率特性：

(17)

(18)

(19)

從式(7)～(9)與(17)～(19)對比可以看出，基礎(chǔ)激勵推導得到的頻率特性與力激勵的結(jié)果相同。

3 操縱機構(gòu)角頻率特性測試方法

3.1 操縱機構(gòu)激勵方法

試驗采用基礎(chǔ)角運動激勵的方式進行，通常角振動使用轉(zhuǎn)臺模擬，但導彈操縱機構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)頻率通常較高，試驗頻率范圍通?？沙^100 Hz，超出目前大多數(shù)轉(zhuǎn)臺的工作頻率范圍，并且操縱機構(gòu)與舵面系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)動慣量較大，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺承載能力有限，難以實現(xiàn)大負載的高頻激勵。通過設(shè)計專用高頻角振動臺，可以實現(xiàn)操縱機構(gòu)系統(tǒng)大負載的角振動試驗。高頻角振動臺由高頻電磁振動臺與機械結(jié)構(gòu)組成，特殊設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)將電磁振動臺激勵產(chǎn)生的線運動轉(zhuǎn)化為臺面的角運動，間接實現(xiàn)角振動加載。電磁振動臺的激勵頻率很高，完全可以滿足操縱機構(gòu)頻率特性的激勵要求。高頻角振動臺如圖3所示。

3.2 激勵閉環(huán)控制

對于非線性結(jié)構(gòu)，目前通常采用描述函數(shù)法表示其頻率特性。通過正弦信號輸入，獲得其輸出一次諧波分量相對輸入的復(fù)數(shù)比，即為近似的頻率特性[15]。因而試驗使用正弦信號作為激勵輸入信號，通過不同頻率正弦掃描來測量頻率特性。為了提高試驗效率，使用連續(xù)掃描方式來激勵。在舵系統(tǒng)狀態(tài)試驗時，受伺服的閉環(huán)控制，作動器激勵輸出幅值特性是穩(wěn)定的。同樣，考慮到操縱機構(gòu)特性存在非線性，也需要對激勵量級進行控制，以保證試驗一致性，同時方便檢驗操縱機構(gòu)頻率特性的量級非線性。為了實現(xiàn)激勵信號閉環(huán)控制，在角振動臺面上安裝傳感器，將傳感器信號連接到專用控制儀，控制儀具有正弦閉環(huán)控制功能。試驗時，設(shè)定正弦掃描頻率范圍與量級，控制儀即可根據(jù)傳感器的信號反饋，自動完成正弦角基礎(chǔ)激勵的閉環(huán)控制。角振動控制原理，如圖4所示。

圖3 操縱機構(gòu)角頻率特性試驗示意圖Fig.3 Diagram of angular frequency characteristic test of actuating mechanism

圖4 角振動控制原理圖Fig.4 Angular vibration control schematic

3.3 條件擬定方法

在操縱機構(gòu)單獨狀態(tài)試驗時，基礎(chǔ)激勵輸入條件非常重要。由于操縱機構(gòu)環(huán)節(jié)存在間隙、剛度非線性等因素，具有量級非線性，其特性與輸入條件有關(guān)，因而必須考慮試驗條件相對合理性。在系統(tǒng)級頻率特性時，輸入指令經(jīng)過舵機后，受舵機特性影響，最后作動器輸出會發(fā)生變化，該輸出即為操縱機構(gòu)的輸入條件。操縱機構(gòu)單獨試驗?zāi)康氖菫榱颂崆霸u估結(jié)構(gòu)設(shè)計，當舵機伺服設(shè)計未完成時，無法獲得其輸出特性，為了開展試驗，需要根據(jù)以往經(jīng)驗，擬定出一個合適試驗條件。振動臺通常按位移、速度和加速度來表征試驗?zāi)芰?，隨著頻率升高，振動臺位移能力降低。同樣，受伺服功率限制，舵機輸出位移特性也隨頻率升高而降低。為了真實模擬舵機的輸入條件，并且兼顧設(shè)備能力，需要按伺服設(shè)計帶寬特點擬定試驗條件幅值形狀，幅值按照姿控設(shè)計要求確定。設(shè)計要求的典型試驗條件，如圖5所示。

圖5 試驗條件示意圖Fig.5 Test condition diagram

3.4 響應(yīng)測量方法

為了獲得操縱機構(gòu)各環(huán)節(jié)的頻率特性，必須測量其動態(tài)轉(zhuǎn)角響應(yīng)，操縱機構(gòu)的動態(tài)轉(zhuǎn)角直接測量具有較大的難度，由于通常戰(zhàn)術(shù)導彈操縱機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，除了舵軸位置外，多數(shù)環(huán)節(jié)都不具備直接安裝角位移的條件。角位移測量可以利用間接測量方式進行，通過安裝傳感器，間接測量角速度或角加速度來獲得關(guān)鍵位置的動態(tài)轉(zhuǎn)角響應(yīng)。

3.5 試驗邊界

在不具備舵機的條件下，開展操縱機構(gòu)角基礎(chǔ)激勵試驗，需要將操縱機構(gòu)輸入端固定。有2種方式安裝固定操縱機構(gòu)，第1種方式是按操縱機構(gòu)彈上安裝方式，設(shè)計一個模擬安裝邊界，將操縱機構(gòu)輸入端與舵機作動器連接位置進行固定；第2種方式是操縱機構(gòu)按真實狀態(tài)安裝在彈上，舵機用高剛度的工藝件代替，將操縱機構(gòu)輸入端與工藝件固定。選用第1種方式時，由于舵機伺服輸出后角頻率特性主要與操縱機構(gòu)剛度有關(guān)，模擬邊界只需保證操縱機構(gòu)安裝與彈上相同即可。根據(jù)操縱機構(gòu)外形特點設(shè)計模擬邊界，能為關(guān)鍵環(huán)節(jié)位置留出足夠的測量空間，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多環(huán)節(jié)的特性測量，這種方式相對較好。第2種方式通常受限于彈上空間大小，很難對舵面以外的操縱機構(gòu)環(huán)節(jié)進行測量。

4 實際應(yīng)用

為了給某型舵機設(shè)計提供依據(jù)，利用該項技術(shù)開展了操縱機構(gòu)頻率特性試驗研究。首先根據(jù)操縱機構(gòu)特點設(shè)計了專用試驗裝置，模擬安裝在彈上邊界狀態(tài)，按舵軸裝配尺寸設(shè)計了操縱機構(gòu)裝配孔，以實現(xiàn)單機組件的試驗安裝，如圖6所示。裝置內(nèi)部為中空形式，方便結(jié)構(gòu)安裝與拆卸，并留出了傳感器安裝空間，以利于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的響應(yīng)測量。為了實現(xiàn)輸入端固支，另外設(shè)計了一個工型結(jié)構(gòu)件，留有匹配搖臂安裝銷釘?shù)目?，利用它與專用試驗裝置共同實現(xiàn)操縱機構(gòu)的固支安裝要求，見圖7。整個操縱機構(gòu)主要可測環(huán)節(jié)為搖臂、舵軸與舵面，在這3個環(huán)節(jié)上布置了傳感器，進行了響應(yīng)測量。試驗頻率范圍為10～150 Hz，激勵幅值為0.25°，0.5°與1.0°，試驗控制結(jié)果如圖5所示。經(jīng)過試驗分析，得到了實測操縱機構(gòu)組件的角頻率特性。

圖6 操縱機構(gòu)專用試驗裝置Fig.6 Special test installation for actuating mechanism

圖7 操縱機構(gòu)固定邊界Fig.7 Fixed boundary of the actuating mechanism

從圖8相對基礎(chǔ)的舵面頻率特性可以看出，各環(huán)節(jié)的幅值放大倍數(shù)不同，最終舵面輸出環(huán)節(jié)響應(yīng)諧振頻率在60 Hz左右，放大倍數(shù)3.8倍，約11.7 dB，該諧振特性如果落入伺服的帶寬內(nèi)，會對舵系統(tǒng)與姿控穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。圖9為分析得到的子環(huán)節(jié)幅頻特性對比，可以看出，搖臂環(huán)節(jié)相對基礎(chǔ)的諧振頻率約為60 Hz，而舵軸相對搖臂的諧振頻率約90 Hz，舵面相對舵軸環(huán)節(jié)的諧振頻率約110 Hz。從這三者關(guān)系可以推出，影響舵操縱機構(gòu)角頻率特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是搖臂。搖臂相對于基礎(chǔ)而言，中間串接銷釘，銷釘是一個剛度相對較低的結(jié)構(gòu)件，由于該環(huán)節(jié)的諧振頻率最低，約束了整個操縱機構(gòu)的頻率特性。另外，角頻率特性具有非線性，從圖10看出，舵面幅值特性隨量級會發(fā)生變化。

圖8 基礎(chǔ)激勵下操縱機構(gòu)幅相特性曲線Fig.8 Amplitude and phase characteristic of actuating mechanism under base Excitation

圖9 操縱機構(gòu)幅頻特性對比Fig.9 Comparison of amplitude frequency characteristics of actuating mechanism

從操縱機構(gòu)的角頻率特性試驗結(jié)果分析，就能快速定位出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)薄弱位置，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要依據(jù)。試驗獲得的角頻率特性，也可以提供給伺服設(shè)計作為依據(jù)，以便伺服避開結(jié)構(gòu)彈性諧振，提高設(shè)計有效性。如果伺服帶寬較高，要降低舵系統(tǒng)幅值放大現(xiàn)象，必須對操縱機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)改進，以提高諧振頻率，才能將伺服與結(jié)構(gòu)彈性耦合避開。結(jié)構(gòu)修改后試驗結(jié)果見圖11，組件系統(tǒng)諧振頻率提高到約90 Hz，相比原60 Hz，提高了約50%，這對于伺服設(shè)計是非常有利的。基于試驗分析結(jié)果確定與修改關(guān)鍵影響環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)，快速提高了操縱機構(gòu)動態(tài)特性，為伺服設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要依據(jù)。

圖10 幅相特性量級非線性對比Fig.10 Magnitude nonlinear comparison of amplitude and phase characteristics

圖11 改進后操縱機構(gòu)幅相特性曲線Fig.11 Amplitude and phase characteristic of modified actuating mechanism

5 結(jié)束語

本文基于基礎(chǔ)激勵原理，建立了舵操縱機構(gòu)角頻率特性試驗技術(shù)，獲得了結(jié)構(gòu)彈性特征，并通過各級環(huán)節(jié)分析確定了關(guān)鍵影響位置，解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計修改定位的難題。該試驗技術(shù)應(yīng)用是舵系統(tǒng)設(shè)計過程中一個新的驗證手段，通過設(shè)計專用試驗裝置提前對單機進行試驗評估，細化了舵系統(tǒng)設(shè)計過程，提高了設(shè)計的可靠性和效率。在舵機未設(shè)計完成的情況下，利用該方法便可獲得操縱機構(gòu)的頻率特性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計性能評估提供了極大便利。開展操縱機構(gòu)頻率特性試驗，相比整個系統(tǒng)設(shè)計完成后再試驗的傳統(tǒng)設(shè)計方式，可以減少設(shè)計反復(fù)機率，預(yù)防后期驗證指標不足導致的設(shè)計周期緊張問題，有效彌補傳統(tǒng)研制方式的不足。該技術(shù)實現(xiàn)了單機性能預(yù)先試驗評估，為舵系統(tǒng)設(shè)計提供了技術(shù)手段，解決了目前設(shè)計中的瓶頸問題，具有較好的應(yīng)用價值。在現(xiàn)在研究基礎(chǔ)上，可以將試驗應(yīng)用到操縱機構(gòu)初期方案優(yōu)化設(shè)計中，即可利用試驗對不同設(shè)計方案進行效果對比，評估與選定最佳方案，也可對機構(gòu)關(guān)鍵環(huán)節(jié)裝配件進行篩選，提高產(chǎn)品質(zhì)量。