小型油氣支承油氣彈簧單元控制策略設(shè)計

侯京鋒 郝巖研 芮鵬 石航

小型油氣支承油氣彈簧單元控制策略設(shè)計

侯京鋒 郝巖研 芮鵬 石航

（北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

油氣彈簧單元為油氣支承系統(tǒng)內(nèi)一核心子單元，本文在梳理利用油氣支承進(jìn)行全箭模態(tài)試驗自由邊界模擬基本流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計系統(tǒng)控制流程，實現(xiàn)壓力控制到位移控制的自動切換，針對油氣彈簧單元的小阻尼大時滯特點，從積分和微分的角度改良PID算法，從機理上分析油氣彈簧單元與常規(guī)液壓缸的差異，設(shè)計修正算法。實測表明，控制流程設(shè)計合理，控制模式轉(zhuǎn)換瞬間位移過沖較小，活塞位控上升及保持過程平穩(wěn)，滿足模態(tài)試驗邊界模擬要求。

油氣支承；油氣彈簧；控制流程；修正算法

0 引言

油氣支承系統(tǒng)可為試驗件提供柔性支承，釋放邊界上的六個自由度，從而模擬大型運載火箭地面模態(tài)試驗中要求的自由-自由邊界條件。20世紀(jì)60～70年代，NASA已成功利用油氣支承系統(tǒng)對土星V進(jìn)行全箭模態(tài)試驗的邊界模擬[1]。

油氣彈簧單元為油氣支承系統(tǒng)內(nèi)一核心子單元，可提供垂向承載并實現(xiàn)垂向弱剛度支撐，同時在負(fù)載偏心時，具有一定的抗傾覆能力。油氣彈簧單元內(nèi)上半部分腔體內(nèi)充滿高壓氣體，利用氣體的可壓縮性，實現(xiàn)軸向的弱剛度支撐；下半部分腔體及環(huán)形間隙部分充滿高壓液壓油，利用靜壓支承減小運動阻尼[2]。

NASA研制的油氣支承系統(tǒng)（Hydraulic Support）油路采用粗調(diào)與精調(diào)液壓閥并聯(lián)[1]，各臺支承手動獨立控制，調(diào)節(jié)過程較慢。油氣彈簧國內(nèi)尚沒有廣泛用于模態(tài)試驗邊界模擬，其常規(guī)應(yīng)用在于隔振。在車輛的懸架系統(tǒng)中，油氣彈簧應(yīng)用較為廣泛[5]，常規(guī)控制思路是通過對油氣彈簧剛度與阻尼的調(diào)整，提升車輛的道路適應(yīng)性，改善架乘的舒適度與安全性[6]，在高級轎車中，為了提升路況適應(yīng)性，車輛懸架高度往往可調(diào)，1999年清華大學(xué)陳志林等人建立了單輪油氣懸架非線性模型，進(jìn)行了基于變結(jié)構(gòu)與PID聯(lián)合控制的車身高度控制策略理論研究，其控制策略很好的改善了車輛高度控制的快速性、準(zhǔn)確性[8]。2007年宋宇以空氣懸架車輛為研究對象通過拉格朗日方程方法建立其多剛體模型，采用PID和PD控制策略對階躍輸入下的車身高度響應(yīng)進(jìn)行了仿真計算和對比分析[9]。2009年江蘇大學(xué)徐興等人分析了高度切換中的“過充”、“過放”及振蕩現(xiàn)象，提出了變速積分的PID／PWM高度控制策略[10]。2010年丁繼斌建立了基于空氣懸架車輛的PID車身高度控制系統(tǒng)，利用AMESim軟件完整介紹了PID控制方法調(diào)節(jié)車高的建模、仿真過程并進(jìn)行了模擬仿真[11]。文獻(xiàn)[12]研究了阻尼對車身高度控制效果的影響，阻尼減小時，需適度削弱PID比例微分控制參數(shù)。

上述車用油氣彈簧系統(tǒng)與油氣支承系統(tǒng)中的油氣彈簧單元的應(yīng)用存在明顯差異，油氣支撐系統(tǒng)所模擬的自由邊界，要求垂向支承阻尼比小于0.05，而車輛的阻尼比通常在0.3附近[5]。本文根據(jù)模態(tài)試驗工況，設(shè)計總體控制流程與試件浮起方案，采用改良的PID控制算法，克服油氣支承系統(tǒng)極低的阻尼比導(dǎo)致的系統(tǒng)易失穩(wěn)問題，同時根據(jù)油氣彈簧單元的結(jié)構(gòu)特點與節(jié)流原理，設(shè)計負(fù)載補償策略，完成了油氣彈簧單元的位移控制策略設(shè)計與驗證。

1 油氣彈簧單元原理

油氣彈簧單元可提供垂向承載，同時實現(xiàn)垂向的弱剛度支撐；環(huán)形靜壓支承單元為油氣彈簧活塞提供導(dǎo)向作用，同時通過環(huán)形靜壓支承的上下兩環(huán)設(shè)計，使系統(tǒng)具備一定的抗傾覆能力。油氣彈簧單元的基本原理如圖1所示。

如圖1所示，活塞位移采用激光位移傳感器測量，活塞位移控制采用可控性較好的伺服閥進(jìn)行控制，油氣支承內(nèi)部液位采用高靜壓壓差傳感器測量。理想情況下，油氣彈簧單元托舉負(fù)載保持某一高度時，從伺服閥流入油腔的液壓油與從封油邊泄露的液壓油流量相等，達(dá)到動態(tài)平衡，活塞高度及腔體內(nèi)液壓油液位保持穩(wěn)定。

圖1 油氣彈簧單元原理

2 控制流程

利用油氣支承系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)試驗的邊界模擬，需首先將試件從承力裝置上緩慢升起，平緩地使負(fù)載到達(dá)目標(biāo)高度，并通過氣腔氣柱高度的調(diào)整使垂向支承頻率滿足要求，模態(tài)試驗開始時，油氣彈簧需保持垂向支承的低頻位移量穩(wěn)定，從而不影響處于相對高頻的模態(tài)試驗激振。通過以上分析可確定，浮起過程大致分為充壓、控制模式轉(zhuǎn)換、位控三個階段。其基本流程如圖2所示。

圖2 控制流程

2.1 充壓階段

通過氣路、液路的同步閉環(huán)控制逐步提升油氣支承內(nèi)部壓力，使內(nèi)部壓力值達(dá)到將要浮起的臨界狀態(tài)。采用氣路PID閉環(huán)控制氣路調(diào)壓閥（主反饋為氣室壓力），使得氣腔壓力緩慢上升至臨界壓力；采用油路PID閉環(huán)控制油路伺服閥（主反饋為液位），油腔液位緩慢上升至下臨界試驗工作位置，該位置由所需的支承頻率決定。

2.2 控制模式轉(zhuǎn)換

接上一階段，繼續(xù)加大氣腔壓力目標(biāo)值，該目標(biāo)值需略大于可將負(fù)載托起的理論值，同時實時監(jiān)測活塞位移反饋值，當(dāng)活塞位移發(fā)生大于某一設(shè)定門限變化時，將控制模式轉(zhuǎn)換為活塞位移控制。

為了降低控制的復(fù)雜度，控制模式轉(zhuǎn)換時，關(guān)閉氣路輸出閥，終止所有氣路閉環(huán)控制；PID內(nèi)部將充壓階段液路閉環(huán)伺服閥控制量一次性寫入位控閉環(huán)的積分器內(nèi)，保持控制模式轉(zhuǎn)換過程中，控制量輸出的連續(xù)性。

2.3 位控階段

采用PID閉環(huán)控制油路伺服閥（主反饋為活塞位移），輸入活塞目標(biāo)位置，活塞位移緩慢上升至試驗工作位置，在外部激振開始前，開啟低通濾波，自此，利用油氣支承實現(xiàn)縱向自由邊界模擬。

3 控制策略設(shè)計

電液伺服系統(tǒng)的典型特征是非線性、時變性以及易受外部干擾，很難得到系統(tǒng)的精確模型，PID控制結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，對被控對象模型依賴低，其基本原理是通過對誤差的現(xiàn)實因素（P）、過去因素（I）、和未來因素（D）進(jìn)行線性計算，從而獲得控制輸出量。當(dāng)前PID控制已廣泛應(yīng)用于液壓伺服控制系統(tǒng)中。油氣彈簧單元位控的特殊性主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的大滯后、小阻尼性，基于此，需對標(biāo)準(zhǔn)PID進(jìn)行改良，以達(dá)到更好的控制效果。

3.1 改良PID

經(jīng)典PID的控制算法差分方程為

3.1.1積分分離優(yōu)化

式（2）中，A,B均為預(yù)先設(shè)定的誤差限。當(dāng)誤差絕對值大于A或小于B時，暫停積分功能，當(dāng)誤差絕對值逐漸減小并進(jìn)入(B, A)區(qū)間時，積分效用逐漸加強，當(dāng)誤差絕對值等于(A-B)/2時，積分累加速度最快，其后隨著誤差繼續(xù)減小，積分效用亦逐漸削弱。當(dāng)前油氣彈簧單元應(yīng)用的積分分離門限如表 1所示。

表1 啟用積分的誤差帶

3.1.2微分優(yōu)化

通常離散PID算法的誤差差分計算方法如式（1）所示。由于干擾或控制滯后的存在，采用以上算法，仍可導(dǎo)致微分控制輸出過大，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。對于油氣支承這樣一個緩變系統(tǒng)，相鄰兩點的差分作為微分項顯然無法實現(xiàn)對運動趨勢的修正，特別是實測位移信號的往往質(zhì)量也不夠好，故需對PID算法進(jìn)行改良，提升微分的效用?；舅悸肪褪翘崛∥灰菩盘柕内厔荩⑵渌腿胛⒎炙惴?，削弱由于信號干擾和非趨勢性波動導(dǎo)致的微分控制量變化，也提高了微分對趨勢的修正能力。具體方法為將實測誤差值經(jīng)過自適應(yīng)指數(shù)加權(quán)移動平均后，送入PID算法微分項參與運算。

指數(shù)加權(quán)移動平均法是將過去一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)重求平均，通常越靠近當(dāng)前時刻權(quán)重越大，但一組固定的權(quán)值無法應(yīng)對真實數(shù)據(jù)緩變和突變兩種狀態(tài)，因而可構(gòu)建一個高斯函數(shù)，實現(xiàn)權(quán)值的自適應(yīng)選取，從而在去除采集噪聲的基礎(chǔ)上，提升趨勢獲取的及時性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

3.2 補償與修正

油氣彈簧單元活塞位控與傳統(tǒng)電液伺服位控系統(tǒng)存在明顯差異，以無泄漏理想液壓缸為例，液壓缸缸桿運動速度

為了簡化分析，在供油能力范圍內(nèi)，伺服閥供油壓力恒定。當(dāng)液壓缸壓桿保持某一位置時，伺服閥開度為0，沒有流量。但油氣彈簧單元活塞位移保持時，液壓油會從封油邊處泄漏，且泄漏量滿足如下關(guān)系

故對于油氣彈簧單元的活塞而言，其控制輸出由控制油缸位移的PID輸出與維持泄露流量的控制輸出共同構(gòu)成，泄露部分需要進(jìn)行控制補償具體策略如下

以上過程未考慮負(fù)載變化影響，由（1）式可知，活塞保持同一位置所消耗的流量與其承載成線性關(guān)系，當(dāng)活塞波動時，僅采用PID算法，同樣的誤差波動，導(dǎo)致同樣的控制修正量，無法滿足由于負(fù)載變化的引來的變化的流量波動，從而導(dǎo)致收斂時間加長，故需設(shè)計針對負(fù)載質(zhì)量變化的修正策略。策略如下

4 控制效果

油氣彈簧單元調(diào)試加載方式采用配重塊模擬負(fù)載，配重塊與單臺油氣彈簧單元通過轉(zhuǎn)接工裝連接。配重塊周圍搭建柱塊框架用于防傾倒保護(hù)及實現(xiàn)模擬負(fù)載停放功能。具體的加載方式如圖 3所示。

圖3 加載測試方案

按照控制流程，進(jìn)行測試驗證，實現(xiàn)充壓，控制模式轉(zhuǎn)換，位控浮起，并保持穩(wěn)定。

4.1 充壓階段

充壓過程包括氣路的逐級加壓，油路的液位控制，如下圖所示的一次調(diào)試過程，氣路充壓分為4步，即0.2、1.1、1.9、2.5MPa，油路控制，一步從初始液位到達(dá)400mm液位處。伺服閥輸出范圍為0～15mA，比例閥輸出范圍為4～20mA。

充壓全過程模擬試件沒有浮起脫離停放裝置，對試件而言，危險性低，充壓過程分解為多步進(jìn)行，第一步用于克服活塞自重，活塞浮起并與轉(zhuǎn)接工裝接觸，待活塞與轉(zhuǎn)接工裝可靠連接，其后分步增大氣壓，并保持液位不變，直至達(dá)到臨界氣壓值。由圖4可以看出，氣壓逐步增大過程中存在明顯的臺階現(xiàn)象，這與當(dāng)前油氣彈簧單元的壓差液位測量原理有關(guān)。氣腔增壓過程干擾液位測量值，液位閉環(huán)導(dǎo)致伺服閥控制量波動，進(jìn)而導(dǎo)致液位波動，從而擠壓氣腔，干擾氣壓。從圖4中亦可以看出，隨著氣腔絕對壓力的上升，充壓引來的壓力波動占?xì)馇粌?nèi)總壓值的比重在減小，充壓對液位測量值影響減弱，伺服閥控制量亦趨于平穩(wěn)。

圖4 充壓過程

4.2 控制模式轉(zhuǎn)換

設(shè)置通道位移轉(zhuǎn)換門限為1mm，且持續(xù)兩個采樣點（0.25s），滿足該條件時立即轉(zhuǎn)換為位置控制并保持當(dāng)前位置，同時關(guān)閉供氣，封死氣腔，氣路閉環(huán)控制停止。如圖5所示，緩慢加大氣腔壓力，活塞在氣腔壓力約為2.6MPa時開始上浮，氣壓達(dá)到2.8MPa左右，活塞緩慢浮起約1mm，此后立即關(guān)閉供氣。理論上，忽略活塞加速度的情況下，活塞上浮過程中，氣腔壓力應(yīng)恒定，此處0.2MPa的差別，與停放機構(gòu)上的緩沖墊有關(guān)。

圖5 力轉(zhuǎn)位過程

通過適度過充壓，捕獲位移波動，實現(xiàn)控制模式轉(zhuǎn)換的方式可行，轉(zhuǎn)換效果平穩(wěn)。轉(zhuǎn)換位移后，由于慣性及滯后的存在，活塞位移存在一定過沖。

4.3 位控階段

位控浮起過程分為兩階段，轉(zhuǎn)位控后，首先落實5mm目標(biāo)指令，使模擬試件完全脫離停放機構(gòu)上的緩沖墊，其后給出30mm目標(biāo)指令。圖6給出了一組位控的實際曲線圖。

圖6 位控過程

從圖6可以看出，活塞上浮過程平穩(wěn)，在30mm位置處保持穩(wěn)定；觀察從5mm至30mm段，氣腔壓力在2.87MPa時，可維持活塞位移，該壓力值反映了負(fù)載重力；在活塞從5mm至30mm上浮過程中，氣腔壓力略微加大至2.91MPa，該壓力值反映了負(fù)載重力與活塞上浮時的阻尼力；在活塞處于5mm位置處，伺服閥控制量在2.3mA左右，而活塞處于30mm位置處，伺服閥控制量在2.8mA左右，試驗過程中負(fù)載質(zhì)量恒定，活塞升起的越高，主油腔封油邊長度越短，主油腔泄露流量越大，與理論結(jié)果一致。

5 總結(jié)

梳理利用油氣支承系統(tǒng)進(jìn)行自由邊界模擬的工作流程，設(shè)計相應(yīng)的控制流程，采用氣壓、位移控制模式切換方法，實現(xiàn)其核心子單元—油氣彈簧單元的充壓與浮起，并從控制算法和系統(tǒng)模型兩個角度針對控制策略進(jìn)行優(yōu)化，實測證明，控制流程設(shè)計合理，控制效果良好，滿足模態(tài)試驗邊界模擬要求。后續(xù)為多臺支承協(xié)同工作的方案設(shè)計及大型油氣支承系統(tǒng)設(shè)計打下了基礎(chǔ)。

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The Control Strategy Design of Hydro-Pneumatic Spring Module of Minitype Oil-Air Support System

HOU Jing-feng HAO Yan-yan RUI Peng SHI Hang

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)

Hydro-pneumatic spring is kernel sub-module of oil-air support system.Based on the analysis of the modal test process with oil-air support system which simulate free boundary, the control sequence is designed, the control mode switching technology is applied.According to the large time-delay characteristics of hydro-pneumatic spring, traditional PID is improved in integral and differential processes.The principle difference between hydro-pneumatic spring and typical hydraulic cylinder are analyzed, the correction algorithm is designed.The field testing shows that the control process are reasonable, the position overshooting does not appear in a moment of control mode switching, the control effect of the piston displacement is stationary.In conclusion, the control strategy meet the requirement of simulate free boundary for modal test.

Oil-air support system; Hydrostatic spring; Control process; Correction algorithm

V416

A

1006-3919(2021)03-0059-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.03.009

2021-02-02；

2021-03-25

侯京鋒（1984—），男，高級工程師，研究方向：測控技術(shù)與系統(tǒng)集成；（100076）北京市9200信箱72分箱.