阻尼參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析

牧 彬

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中，幾乎全部采用液壓作動(dòng)筒作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和采用電液伺服的方式完成載荷的施加。與此同時(shí)，采用協(xié)調(diào)加載控制器作為核心控制的方式，實(shí)現(xiàn)多個(gè)加載點(diǎn)的協(xié)調(diào)加載。協(xié)調(diào)加載控制器的閉環(huán)控制頻率及傳感器采集頻率高達(dá)數(shù)千赫茲，而對(duì)應(yīng)的作動(dòng)筒及伺服閥響應(yīng)頻率低于1000Hz，同時(shí)考慮到連接件及試驗(yàn)件的質(zhì)量及固有頻率，實(shí)際控制系統(tǒng)不良的參數(shù)設(shè)置很有可能起到激振器的作用，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)振動(dòng)，威脅試驗(yàn)人員及試驗(yàn)件安全。因此，不良的參數(shù)設(shè)置成為試驗(yàn)控制人員面臨的重要安全隱患。

在試驗(yàn)開(kāi)始進(jìn)行前，通常需要對(duì)每個(gè)獨(dú)立的加載點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)調(diào)試，尋找合理的控制參數(shù)。一方面提高單個(gè)加載點(diǎn)的跟隨性及加載精度，另一方面提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免自激振蕩的發(fā)生。在參數(shù)調(diào)整的過(guò)程中，由于每個(gè)試驗(yàn)件、每個(gè)加載點(diǎn)的獨(dú)特性，參數(shù)設(shè)置無(wú)法做到通用，需針對(duì)具體加載點(diǎn)反復(fù)調(diào)試，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。同時(shí)，由于缺少理論及模型支持，參數(shù)初始值設(shè)置也僅依靠經(jīng)驗(yàn)，甚至出現(xiàn)初始控制參數(shù)配置不合理，液壓油壓力無(wú)法施加的問(wèn)題，參數(shù)調(diào)節(jié)也就無(wú)法進(jìn)行。協(xié)調(diào)加載控制器參數(shù)眾多，針對(duì)單個(gè)加載點(diǎn)，有比例參數(shù)、積分參數(shù)、前饋參數(shù)、阻尼參數(shù)、伺服閥抖動(dòng)幅值、伺服閥抖動(dòng)頻率參數(shù)和前饋濾波器參數(shù)等，本文僅選取阻尼參數(shù)作為研究重點(diǎn)，研究阻尼參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

本文通過(guò)對(duì)協(xié)調(diào)加載控制器控制原理進(jìn)行分析，建立控制器及簡(jiǎn)化加載點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)不同輸入方式下不同阻尼參數(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)。通過(guò)仿真分析阻尼參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，為今后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整提供借鑒，同時(shí)提供一種參數(shù)驗(yàn)證方法，有利于提前化解高載試驗(yàn)中參數(shù)設(shè)置不合理帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

2 控制系統(tǒng)建模

控制系統(tǒng)完成單個(gè)加載點(diǎn)控制的過(guò)程為：AD卡采集傳感器數(shù)據(jù)作為當(dāng)前控制通道反饋，控制器實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前通道指令與反饋的誤差，誤差經(jīng)過(guò)比例積分、阻尼等參數(shù)生成控制信號(hào)，通過(guò)DA卡輸出到伺服閥模塊，驅(qū)動(dòng)伺服閥噴嘴擋板偏轉(zhuǎn)，控制液壓油流入或流出腔體，完成液壓壓力與輸出物理量的轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)建模過(guò)程中，對(duì)于簡(jiǎn)單的AD、DA模塊進(jìn)行理想化處理，將重點(diǎn)放在控制率上。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)控制設(shè)備多使用MOOG協(xié)調(diào)加載控制器[1]，為真實(shí)模擬實(shí)際使用情況，對(duì)原始控制系統(tǒng)模型進(jìn)行細(xì)化，得到實(shí)際控制系統(tǒng)模型圖，如圖1及圖2所示。圖中左側(cè)輸入Command代表輸入指令信號(hào)，Kp代表比例系數(shù)，Ki代表積分系數(shù)，Kd代表阻尼系數(shù)，也是本文的研究重點(diǎn)，G(s)代表作動(dòng)筒、伺服閥及結(jié)構(gòu)件等被控對(duì)象構(gòu)成的傳遞函數(shù)，右側(cè)Feedback代表結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)。

圖1 原始控制系統(tǒng)模型示意圖

圖2 實(shí)際控制系統(tǒng)模型示意圖

針對(duì)圖2中的控制率，對(duì)其進(jìn)行整理得到合并后的控制率，如圖3所示：

圖3 簡(jiǎn)化控制率示意圖

根據(jù)圖3可以得到控制率的傳遞函數(shù)，見(jiàn)式(1)：

(1)

對(duì)于被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，由于不是本文研究重點(diǎn)，因此采用簡(jiǎn)化二階系統(tǒng)作為其傳遞函數(shù)[2]，見(jiàn)式(2)：

(2)

因此，控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型都已確定，可以通過(guò)matlab建模的形式得到仿真模型。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中的步驟，設(shè)計(jì)兩種輸入方式：一種為斜坡信號(hào)輸入方式，另一種為階躍信號(hào)沖擊方式[3]。斜坡信號(hào)用來(lái)模擬試驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中加壓后給出指令的過(guò)程，其具體設(shè)置為指令初始值為0N，2s時(shí)開(kāi)始指令增加，4s時(shí)指令增加到100N，保持該值到6s，試驗(yàn)結(jié)束；階躍沖擊信號(hào)在實(shí)際使用過(guò)程中不會(huì)由指令給出，而是由反饋引入到閉環(huán)控制系統(tǒng)中，代表當(dāng)前加載點(diǎn)受到由其他加載點(diǎn)通過(guò)試驗(yàn)件傳遞過(guò)來(lái)的沖擊，此時(shí)控制系統(tǒng)模型如圖4所示。階躍信號(hào)沖擊方式下具體設(shè)置為系統(tǒng)指令值始終為0N，階躍信號(hào)初始值為0N，2s時(shí)開(kāi)始指令增加到100N，保持該值到6s，試驗(yàn)結(jié)束。

圖4 階躍信號(hào)沖擊下控制系統(tǒng)模型示意圖

驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)6組，包括2種輸入及3種阻尼參數(shù)，其他參數(shù)保持一致，比例及積分參數(shù)分別取3和1，阻尼參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 兩種輸入方式下阻尼參數(shù)設(shè)置

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

使用MATLAB建立上述模型及兩種輸入方式進(jìn)行仿真驗(yàn)證，求解器使用4階龍格庫(kù)塔方法[4]，仿真步長(zhǎng)設(shè)為固定值，每一步為0.001s，仿真結(jié)果如圖5～圖10所示。圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)表示載荷，單位N，圖中虛線代表反饋值，實(shí)線代表指令值。

由圖5、圖6及圖7可以看出，在斜坡輸入方式下，阻尼為0.5時(shí)，系統(tǒng)跟隨性及穩(wěn)態(tài)誤差明顯優(yōu)于阻尼為5及0.05；阻尼為5時(shí)，系統(tǒng)跟隨性較差，出現(xiàn)明顯相位滯后，調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；而阻尼為0.05時(shí)，系統(tǒng)發(fā)散，出現(xiàn)振蕩，證明配置該阻尼參數(shù)對(duì)試驗(yàn)存在振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)過(guò)程中需避免該參數(shù)出現(xiàn)。

圖5 斜坡輸入阻尼為5時(shí)指令反饋曲線

圖6 斜坡輸入阻尼為0.5時(shí)指令反饋曲線

圖7 斜坡輸入阻尼為0.05時(shí)指令反饋曲線

由圖8、圖9及圖10可以看出，在階躍沖擊輸入下，阻尼為0.5時(shí)，系統(tǒng)跟隨性及穩(wěn)態(tài)誤差明顯優(yōu)于阻尼為5及0.05；阻尼為5時(shí)，系統(tǒng)受到?jīng)_擊影響后，調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；阻尼為0.05時(shí)，系統(tǒng)受到?jīng)_擊影響后，出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，真實(shí)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)件安全不利。

圖10 階躍沖擊輸入阻尼為0.05時(shí)指令反饋曲線

圖8 階躍沖擊輸入阻尼為5時(shí)指令反饋曲線

圖9 階躍沖擊輸入阻尼為0.5時(shí)指令反饋曲線

綜上所述，阻尼參數(shù)配置時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)過(guò)阻尼及欠阻

尼，前者降低系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，后者出現(xiàn)振蕩，不利于試驗(yàn)件安全。

5 總 結(jié)

本文通過(guò)分析協(xié)調(diào)加載控制器的控制規(guī)律，建立控制系統(tǒng)模型及開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)斜坡及階躍沖擊兩種輸入方式，對(duì)不同阻尼參數(shù)配置條件下的系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，雖然阻尼參數(shù)能夠明顯抑制振動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生，但過(guò)大的阻尼參數(shù)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間。本文的研究結(jié)論可為今后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)整定提供借鑒。