某型飛機前襟伺服閥電流環(huán)回路仿真分析

郭 丹 ，鄒 慶 ，萬民天 ，江建東

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024；2.空裝上海局駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024）

0 引言

前襟驅動系統(tǒng)是飛機飛行控制系統(tǒng)中的輔助操縱系統(tǒng)，用于改善氣流在機翼前緣的流場，提高氣流在機翼前緣分離的迎角，改善飛機大迎角升力特性。前緣襟翼的偏度也能按給定的控制律自動地隨飛機迎角和飛行馬赫數的變化而變化，具備改善飛機性能或操縱品質的功能。

某型教練機在飛行控制系統(tǒng)地面上電或退出PBIT進入實時任務時，出現多架次前襟伺服機構振動故障。通過故障定位及分析，確定引起系統(tǒng)振動的原因為前襟伺服閥電流環(huán)回路振蕩。本文利用AMESim軟件建立了前襟伺服閥電流環(huán)回路的模型，并對模型的正確性進行驗證；利用Matlab軟件對伺服閥電流環(huán)回路進行動態(tài)仿真，分析前襟伺服閥電流環(huán)回路參數對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1 建模分析

某型教練機前緣襟翼由四塊組成，左右各兩塊。每塊前襟均由伺服控制板（集成在飛控計算機內）、前襟伺服機構、作動筒及集成在作動筒內的位置傳感器組成的驅動系統(tǒng)控制。系統(tǒng)接受控制律計算輸出的指令信號，驅動前襟舵面偏轉。集成在作動筒上的前襟位置傳感器將舵面位置反饋給伺服控制板，實現前襟系統(tǒng)閉環(huán)控制。

前襟伺服控制回路采用經典控制回路，僅設置了前向增益環(huán)節(jié)，該控制方式在各型號飛機中廣泛采用，具有良好的穩(wěn)定性，如圖1所示。藍框內為前襟伺服電子框圖，它將來自計算機的控制指令與前襟作動器位置反饋相綜合，經放大、限幅后，通過伺服閥驅動電路（紅圈），將電壓信號按照1mA/V的等比例關系轉換成對應的電流信號，驅動伺服閥工作。

圖1 前襟伺服控制回路框圖

2 仿真分析

2.1 問題描述

某型高級教練機在飛行控制系統(tǒng)地面上電或退出PBIT進入實時任務時，前襟伺服機構出現高頻振動。對飛控系統(tǒng)上電和退出PBIT進入實時任務時的指令狀態(tài)進行梳理，發(fā)現故障誘因為：系統(tǒng)上電時，伺服板的指令信號為10V的階躍信號；退出PBIT轉入實時任務時，伺服控制板的指令信號為-10V～0～-10V（時長145ms）的脈沖信號，信號曲線如圖2所示。

圖2 PBIT轉實時任務脈沖信號

因此，在進行仿真分析時，將系統(tǒng)輸入信號模擬為相應的階躍信號。

2.2 前襟伺服回路動態(tài)特性分析

對前襟伺服回路進行動態(tài)特性仿真，系統(tǒng)頻帶約為9Hz，滿足≥4Hz的要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

2.3 一階伺服閥電流環(huán)動態(tài)特性分析

根據伺服閥的特性參數，在輸出級接阻抗為350Ω、感抗為2H的仿真負載，對整個伺服閥電流環(huán)進行掃頻仿真。

從圖3、圖4可以看出，在接入伺服閥負載環(huán)節(jié)后，伺服閥電流環(huán)的動態(tài)特性發(fā)生變化，幅頻特性的截止頻率為190Hz，遠遠高于伺服機構實際要求的工作頻帶（60Hz～100Hz），而且在 50Hz～140Hz內幅頻出現了超調，穩(wěn)定性相對變差，增大了激發(fā)伺服閥振蕩的可能性。

圖3 伺服閥電流環(huán)帶負載幅頻結果

圖4 伺服閥電流環(huán)帶負載相頻結果

對接入一階環(huán)節(jié)閥模型負載的伺服電子模型施加階躍信號觀測伺服閥電流環(huán)的動態(tài)響應，觀測其穩(wěn)定性。

從圖5仿真波形可以看出，盡管接入一階環(huán)節(jié)伺服閥模型后的動態(tài)穩(wěn)定特性相對變差，但對大幅值階躍指令輸入的電流環(huán)特性是穩(wěn)定的，不會導致伺服閥電流環(huán)振蕩。

圖5 伺服閥電路階躍響應仿真圖

通過試驗測試發(fā)現：斷開伺服電子的前級輸入，直接給伺服閥施加階躍信號，出現振動的伺服閥有10%左右的超調，而正常的伺服閥基本無超調或超調很小。如果伺服閥模型僅是電阻和電感串聯(lián)的一階環(huán)節(jié)，是不會存在超調的，因此振動的伺服閥模型實為二階環(huán)節(jié)。

2.4 二階伺服閥電流環(huán)回路動態(tài)特性分析

前襟伺服閥電流環(huán)回路由前襟控制板上的電流環(huán)回路和伺服機構組成，前襟伺服閥電流環(huán)回路對控制指令與位置反饋綜合，將其差值信號放大，按1mA/V的等比例關系轉換成相應的電流信號，驅動伺服機構中的伺服閥工作，伺服閥線圈電流的采樣電壓作為反饋構成伺服閥電流環(huán)。

為了盡可能真實地模擬前襟伺服機構的物理特性，按實際裝機狀態(tài)建立伺服閥電流環(huán)回路AMESim模型（見圖6），進行時域仿真，仿真曲線如圖7所示，其中階躍信號為指令信號，振蕩信號為相應曲線。

從仿真曲線可知，在大幅值階躍指令作用下，伺服閥電流環(huán)回路發(fā)生了振蕩，振蕩頻率為100Hz左右，這與發(fā)生振動時的實測信號頻率基本一致，與實際情況相符，驗證了模型的準確性。

圖6 伺服閥電流環(huán)回路AMESim仿真模型

圖7 時域響應曲線

將伺服閥的模型等效成電阻、電感和電容的組合，伺服閥電流環(huán)回路的控制框圖如圖8所示。

圖8 伺服閥電流環(huán)控制框圖

對伺服閥電流環(huán)回路進行Matlab動態(tài)特性仿真，從開環(huán)相應波特圖（見圖9）可知，前襟伺服閥電流環(huán)回路的幅值穩(wěn)定裕度約為158dB，相位穩(wěn)定裕度約為18.3°，伺服閥電流環(huán)回路的相位裕度較小，穩(wěn)定性較弱，容易產生振蕩。

圖9 伺服閥電流環(huán)回路開環(huán)相應波特圖

2.5 二階伺服閥電流環(huán)回路優(yōu)化

前襟伺服回路的頻帶為4Hz左右，根據設計經驗，將前襟伺服閥電流環(huán)的截止頻率約束為120Hz，根據此參數和伺服閥線圈參數，按照相關的設計公式，對伺服閥電流環(huán)回路中的電容進行參數更改，將其擴大15倍。對更改參數后的伺服閥電流環(huán)進行穩(wěn)定性仿真分析，更改后的相位裕度為60°（見圖10），穩(wěn)定性顯著提高。

圖10 優(yōu)化后伺服閥電流環(huán)穩(wěn)定分析

對更改參數后的前襟系統(tǒng)進行穩(wěn)定性仿真分析，伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度為76.2°（見圖11），滿足系統(tǒng)穩(wěn)定裕度要求。

3 結語

某型教練機在飛行控制系統(tǒng)地面上電或退出PBIT進入實時任務時，出現多架次前襟伺服機構振動故障。經過AMESim和Matlab建模仿真分析，前襟伺服系統(tǒng)是穩(wěn)定的。而振動的伺服機構模型實為二階環(huán)節(jié)，前襟伺服閥電流環(huán)回路的振蕩會引起伺服機構振動。通過更改前襟系統(tǒng)伺服閥電流環(huán)回路參數，可以提高回路的穩(wěn)定裕度，有效抑制振動的產生，且保證系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標滿足要求。

圖11 優(yōu)化后伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度