異構(gòu)作動系統(tǒng)的效率特性與能量管理分析

胡 驍，周國峰，韓文博，李迎博，劉珺怡

（中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引 言

隨著飛行器對可靠性和經(jīng)濟性的要求日益提高，異構(gòu)作動系統(tǒng)得到越來越多的應(yīng)用，該系統(tǒng)由一個液壓作動器（Hydraulic Actuator，HA）和一個電動靜液作動器（Electro-hydrostatic Actuator，EHA）構(gòu)成。由于該作動系統(tǒng)中液壓作動器和電動靜液作動器具有不同的輸入能源和不同的工作原理，導(dǎo)致效率特性不同。因此，亟需針對該作動系統(tǒng)，對效率特性與給定工況的對應(yīng)關(guān)系開展研究，提出適宜的能量管理策略。

1 異構(gòu)作動系統(tǒng)的基本組成

異構(gòu)作動系統(tǒng)示意如圖1所示[1～6]。HA主要由恒壓源、控制器、伺服閥和液壓缸組成[7]。恒壓源為HA提供液壓動力?？刂破鞯妮斎胄盘枮槲灰浦噶钚盘柡臀灰品答佇盘?，通過控制算法，輸出伺服閥的控制電流信號，調(diào)節(jié)伺服閥的閥開口，進而調(diào)節(jié)通過伺服閥的流量。液壓缸與伺服閥相連，將凈流量轉(zhuǎn)化為壓力的變化量，驅(qū)動舵面完成指定的工作，見圖2。

圖1 異構(gòu)作動系統(tǒng)示意 Fig.1 Schematic of Dissimilar Redundancy Actuation System

圖2 HA原理示意 Fig.2 Schematic Diagram of HA

EHA由電機、液壓泵、液壓缸和電控單元組成[8]，見圖3。輸入信號與各反饋信號在控制器里按控制律進行計算后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娍匦盘?，?jīng)驅(qū)動電路放大為功率電信號，由功率電信號驅(qū)動的電機帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)，最終由液壓泵輸出的壓力油驅(qū)動舵面進行工作。

圖3 EHA原理示意 Fig.3 Schematic Diagram of EHA

2 異構(gòu)作動系統(tǒng)的效率特性分析

2.1 HA與EHA效率的定義

本文將作動器效率定義為穩(wěn)態(tài)時輸出功率與輸入功率的比值：

式中η為作動器效率；Pout為作動器的輸出功率；Pin為作動器的輸入功率。

考慮 HA的輸出功率，其輸出功率的形式是機械功率：

式中F為HA的外負載力；v為HA的活塞桿運動速度。

考慮 HA的輸入功率，其輸入功率的形式是液壓功率：

式中Pin為 HA 恒壓源壓力；Qin為流經(jīng)伺服閥的流量。為降低計算難度，此處忽略 HA中的液壓泵和調(diào)壓系統(tǒng)的功率損失。

考慮EHA的輸出功率，其輸出功率的形式是機械功率：

式中F為EHA的外負載力；v為EHA的活塞桿運動速度。

考慮EHA的輸入功率，其輸入功率的形式是電功率：

式中PinEHA為 EHA的輸入功率；U為電機的輸入電壓；i為電機的電樞電流。

2.2 Matlab/Simulink與AMESim聯(lián)合仿真

綜合考慮Matlab/Simulink與AMESim在數(shù)學(xué)仿真中的優(yōu)勢，設(shè)計以下仿真策略：在Matlab/Simulink中完成工作點的設(shè)定以及數(shù)據(jù)記錄的功能，在 AMESim中完成HA與EHA的仿真功能，見圖4。

圖4 聯(lián)合仿真示意 Fig.4 Schematic Diagram of Co-simulation

a）關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。

HA和EHA的性能指標見表1，HA的關(guān)鍵參數(shù)見表2，EHA的關(guān)鍵參數(shù)見表3。

表1 性能指標 Tab.1 Performance Index

表2 HA關(guān)鍵參數(shù) Tab.2 HA Key Parameters

表3 EHA關(guān)鍵參數(shù) Tab.3 EHA Key Parameters

續(xù)表3

b）工作點的設(shè)定。

為盡可能準確的得到HA與EHA的效率特性，應(yīng)在計算成本允許的條件下，盡可能多的設(shè)定工作點，與此同時，考慮到速度在零值附近變化較為劇烈，因此設(shè)計以下工作點選取方案：

1）考慮速度v，在 0～2 mm/s之間，每隔 0.5 mm/s設(shè)置一個工作點，在2～100 mm/s之間，每隔2 mm/s設(shè)置一個工作點；

2）考慮負載力F，在 0～40 000 N 之間，每隔800 N設(shè)置一個工作點。

3）仿真結(jié)果與分析。

在給定參數(shù)，給定工作點的條件下，HA的效率特性見圖5，EHA的效率特性見圖6。

圖5 HA效率特性示意 Fig.5 Schematic Diagram of HA Efficiency Characteristic

圖6 EHA效率特性示意 Fig.6 Schematic Diagram of EHA Efficiency Characteristic

對圖5及圖6進一步處理，獲取HA與EHA的效率對比示意圖，見圖7，曲線下方，EHA的效率高于HA的效率；曲線上方，HA的效率高于EHA的效率。從圖7中不難發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)工況下，EHA的效率均高于HA的效率，但當負載力大于35 000N時，HA的效率高于EHA的效率。

圖7 HA與EHA效率對比示意 Fig.7 Schematic Diagram of Efficiency Comparison Curve

3 HA與EHA的能量管理策略

3.1 基于切換機制的能量綜合管理策略

以活塞桿速度為X軸，以負載力為Y軸，確定異構(gòu)作動系統(tǒng)的四象限工作模式，見圖8。當作動系統(tǒng)處于一、三象限時，作動系統(tǒng)做正功；當作動系統(tǒng)處于二、四象限時，作動系統(tǒng)做負功，見圖8。由于結(jié)構(gòu)的限制，HA很難回收能量，而EHA中電機可工作在發(fā)電機狀態(tài)，存在回收能量的可能，因此，在順載狀態(tài)下，應(yīng)旁通HA，讓EHA工作，回收能量[9,10]。

圖8 異構(gòu)作動系統(tǒng)四象限工況示意 Fig.8 Schematic Diagram of Dissimilar Redundancy Actuation System Work Mode

在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種全新的異構(gòu)作動系統(tǒng)的工作模式：當作動系統(tǒng)處于順載工況時，EHA工作，HA旁通；當作動系統(tǒng)處于逆載工況時，EHA常態(tài)工作，HA旁通，僅當負載力達到切換條件時，HA工作，EHA旁通。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 仿真工況設(shè)計

指令信號示意如圖9所示。位移指令分5個階段（見圖9a）：第 1 個階段是 0～4 s，位移指令以 10 mm/s的速度上升；第 2個階段是 4～8 s，位移指令以 40 mm/s的速度上升；第3個階段是8～27 s，位移指令維持不變；第4個階段是27～31 s，位移指令以40 mm/s的速度下降；第5個階段是31～35 s，位移指令以10 mm/s的速度下降。假設(shè)負載力為彈性負載，即負載力與位移成正比例，故負載力指令也分5個階段（見圖9b），與位移指令相對應(yīng)。

圖9 指令信號示意 Fig.9 Schematic Diagram of Input Signal

3.2.2 仿真結(jié)果分析

對于異構(gòu)作動系統(tǒng)而言，在不考慮故障的情況下，存在3種工作模式：HA單獨工作（定義其為模式1）；EHA單獨工作（定義其為模式2）；以及本文提出的全新工作模式（定義其為模式 3）。3種模式的仿真結(jié)果分別見圖10至圖12。

圖10 模式1仿真結(jié)果 Fig.10 Simulation Result of Model 1

續(xù)圖10

圖11 模式2仿真結(jié)果 Fig.11 Simulation Result of Model 2

圖12 模式3仿真結(jié)果 Fig.12 Simulation Result of Model 3

輸入能量方面，模式3較模式1和模式2有明顯優(yōu)勢，模式3輸入能量僅7570 J，模式1輸入能量為20 300 J，模式 2 輸入能量為 17 100 J；位移跟蹤曲線方面，模式3較模式1和模式2有明顯劣勢，在7.3 s時，模式3中異構(gòu)作動系統(tǒng)發(fā)生從狀態(tài)1（EHA做控制，HA旁通）到狀態(tài)2（HA做控制，EHA旁通）的切換，位移跟蹤曲線出現(xiàn)明顯“抖動”現(xiàn)象，在 27 s時，模式3中異構(gòu)作動系統(tǒng)發(fā)生從狀態(tài)2到狀態(tài)1的切換，位移跟蹤曲線也出現(xiàn)了明顯的“抖動”現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

對HA和EHA組成的異構(gòu)作動系統(tǒng)進行研究，得到結(jié)論如下：a）在大多數(shù)工況下，EHA的效率均高于HA的效率，但當負載力大于35 kN時，HA的效率高于EHA的效率；b）提出一種基于效率特性的切換管理策略，即當作動系統(tǒng)處于順載工況時，EHA工作，HA旁通；當作動系統(tǒng)處于逆載工況時，EHA常態(tài)工作，HA旁通，僅當負載力達到切換條件（大于35 kN）時，HA工作，EHA旁通；c）選取位移跟蹤特性和能耗特性為評價指標，分析表明：本文提出的能量管理策略在能耗特性方面有較大的優(yōu)勢，但在位移跟蹤曲線上出現(xiàn)了“抖動”的現(xiàn)象，即在控制平穩(wěn)性方面，表現(xiàn)出一定的不足。