一種小型化高同步性伺服作動系統(tǒng)研究

李沛劍，李懷兵，馮立墨，楊 波，劉 凱，楊 娜

（1.海裝駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100076；2.北京精密機電控制設(shè)備研究所航天伺服驅(qū)動與傳動技術(shù)實驗室，北京 100076）

1 引 言

固體發(fā)動機動力的可調(diào)性可以極大提高航天飛行器、運載器的工作效率，提高其飛行距離和工作性能，成為未來發(fā)動機研究的熱點技術(shù)。 由于發(fā)動機周圍的空間緊湊，環(huán)境溫度較高（可達600℃以上），且需滿足長時工作要求（4 000 s 以上），如果選用常規(guī)的伺服作動系統(tǒng)對發(fā)動機喉道開口進行調(diào)節(jié)，則無法滿足空間和溫度環(huán)境的要求。

針對特殊的高溫環(huán)境和安裝空間，由于液壓作動系統(tǒng)使用液壓油作為工作介質(zhì)，且其本體為結(jié)構(gòu)件，采用循環(huán)液壓油冷卻方式可實現(xiàn)作動器溫度控制，耐溫性能較好，故選用液壓作動系統(tǒng)作為特殊高溫工作環(huán)境的固沖發(fā)動機動力控制用執(zhí)行機構(gòu)。

由于空間尺寸限制，該伺服作動系統(tǒng)尺寸要求比常規(guī)伺服機構(gòu)更加小型化，結(jié)合液壓作動系統(tǒng)自身的特點，本液壓作動系統(tǒng)采用三路集成式閥控節(jié)流調(diào)速方案和分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，即將液壓作動器與控制閥塊分體設(shè)計，采用非對稱單伸出活塞桿的小型化設(shè)計，將浸油電感式位移傳感器安裝在活塞桿內(nèi)部，跟隨活塞桿進行同步運動，將活塞桿的位置信號通過AD 采集芯片傳輸至數(shù)字伺服控制器，通過控制策略實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。 同時，在作動器溫度環(huán)境敏感處安裝溫度傳感器，對作動器溫度進行測量，并反饋至控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對作動器的溫度控制。

通過理論計算和帶載試驗表明，該液壓作動系統(tǒng)設(shè)計具有可實現(xiàn)性，通過“位置環(huán)＋全域控制參數(shù)動態(tài)調(diào)整”的控制策略，該作動系統(tǒng)具有較高的運動平穩(wěn)性、位置同步性，能夠滿足發(fā)動機動力控制對伺服作動系統(tǒng)位置控制及高同步性能的要求。

2 伺服作動系統(tǒng)組成及工作原理

本液壓作動系統(tǒng)主要由一臺控制閥組、三臺液壓作動器和一臺數(shù)字伺服控制器組成，如圖1 所示。

圖1 伺服作動系統(tǒng)組成簡圖Fig．1 Servo actuator system composition diagram

液壓作動器由殼體、活塞桿、位移傳感器、連接支耳、溫度傳感器等組成；控制閥組由三套閥鎖壓差組合組成，每個組合均含伺服閥、液壓鎖和壓差傳感器各一套；數(shù)字伺服控制器包括電源轉(zhuǎn)換電路、422 串口通訊電路、主控芯片電路、A／D 轉(zhuǎn)換電路、D／A 轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、位移解調(diào)電路和控制軟件。

數(shù)字伺服控制器通過RS422 串口總線接收控制系統(tǒng)位置指令，與A／D 轉(zhuǎn)換電路采集的差動變壓式位移傳感器（LVDT）位置信號相減，得到位置誤差信號，經(jīng)過位置閉環(huán)及全域控制參數(shù)動態(tài)調(diào)整的控制策略得出控制量，通過功率電路放大后驅(qū)動控制閥組運動，驅(qū)動液壓作動器運動到控制指令位置，實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

3 液壓作動器和控制閥組設(shè)計

液壓作動器作為發(fā)動機動力控制的關(guān)鍵執(zhí)行機構(gòu)，安裝在發(fā)動機上，一端連接在發(fā)動機本體上，一端連接在調(diào)節(jié)裝置上，如圖2 所示。 為了實現(xiàn)軸向和徑向尺寸的小型化設(shè)計，將液壓作動器與控制閥塊進行分體式設(shè)計，以實現(xiàn)液壓作動器本體小截面尺寸、小軸向尺寸及大運動行程的方案設(shè)計。

圖2 液壓作動器結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Hydraulic actuator structure diagram

在滿足大運動行程的要求下，為實現(xiàn)作動器在發(fā)動機狹小空間的布局，活塞桿采用非對稱結(jié)構(gòu)以減小軸向尺寸；將內(nèi)置高精度，耐高溫、高壓、浸油的LVDT 安裝在活塞桿內(nèi)部，實現(xiàn)對作動器運動行程的測量，進行位置閉環(huán)控制；采用溫度傳感器對作動器內(nèi)部溫度環(huán)境進行測量，并實時反饋給控制系統(tǒng)，進行循環(huán)液壓油的控制，對作動器本體進行溫度調(diào)節(jié)控制。

控制閥組作為液壓伺服控制的核心組件，其工作性能受溫度影響較大，為了確?？刂崎y組能夠正常、可靠工作，將液壓作動器與控制閥組進行分體式設(shè)計，如圖3 所示，并將控制閥組放置在工作環(huán)境較好的控制艙內(nèi)。

圖3 控制閥組結(jié)構(gòu)示意圖Fig．3 Control valve structure diagram

4 控制策略

4．1 控制系統(tǒng)組成

數(shù)字伺服控制器通過RS422 總線接收控制系統(tǒng)的位置指令信息，并采集液壓作動器的位置信息，完成位置閉環(huán)控制。

采用“位置環(huán)＋全域控制參數(shù)動態(tài)調(diào)整”的控制策略，位置環(huán)主要用來控制作動器的運動精度；全域控制參數(shù)動態(tài)調(diào)整環(huán)節(jié)主要用來保證作動器運動過程中的位置平穩(wěn)性和同步性，以保證發(fā)動機的安全。

作動系統(tǒng)的控制流程圖及控制架構(gòu)框圖如圖4和圖5 所示。

圖4 伺服作動系統(tǒng)控制流程圖Fig．4 Servo actuator system control flow diagram

圖5 伺服作動系統(tǒng)控制架構(gòu)框圖Fig．5 Servo actuator system control architecture block diagram

4．2 控制策略

控制策略主要包含兩部分：位置環(huán)和全域控制參數(shù)動態(tài)調(diào)整控制，如圖6 所示。

圖6 控制策略及控制流程示意圖Fig．6 Control strategy and control flow diagram

位置環(huán)作為最外環(huán)，主要用來實現(xiàn)作動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等控制性能；全域控制參數(shù)動態(tài)調(diào)整控制包含位置初始同步、位置同步控制和非對稱位置控制三部分控制功能，主要用來完成作動系統(tǒng)運動前的位置初始同步判斷和控制、運動中的位置同步控制以及非對稱設(shè)計下的運動控制。

4．3 位置環(huán)

位置環(huán)主要用來實現(xiàn)對伺服作動系統(tǒng)位置的精確控制，如圖6 所示，位置環(huán)的輸入為角度指令與位置反饋之間的誤差，采用比例微分（PD）控制策略實現(xiàn)精確和快速的控制，則

式中：U——位置環(huán)計算得到的控制量；kp——位置環(huán)的比例增益系數(shù)；kd——位置環(huán)的微分增益系數(shù)；e——當(dāng)前計算周期角度指令與位置反饋之間差值；e——前一次計算周期角度指令與位置反饋之間的差值。

4．4 位置初始同步

在伺服控制器上電完成后，需要對三臺作動器的位置進行初始同步自檢判斷，如圖7 所示。 當(dāng)三臺作動器之間的位置誤差大于2 mm 時，判定此時三臺作動器不同步，需要進行位置對中控制；取三臺作動器位置的平均值作為位置初始同步控制的輸入，進行位置對中控制，作動器對中后，保持原位不動，等待后續(xù)控制指令。

圖7 位置初始同步控制流程示意圖Fig．7 Initial position synchronization control flow diagram

4．5 位置同步控制

為實現(xiàn)作動器運動過程中的位置同步性，采用基于三路作動器位置信號差值動態(tài)調(diào)整的控制策略，以保證三路作動器的同步性，如圖8 所示。 當(dāng)三路作動器之間的最大誤差小于e時，判定三路作動器同步性好，按照原控制參數(shù)進行；當(dāng)三路作動器之間的最大位置誤差在e≤e≤e時，識別出三路作動器中運動行程最大與運動行程最小的兩路作動器，以中間運動行程的作動器為基準(zhǔn)，對運動行程最大與運動行程最小的作動器進行kp、kd 控制參數(shù)調(diào)整，以達到控制速度的目的；當(dāng)三路作動器之間的位置誤差為e ＞e時，表明三路作動器不同步，數(shù)字伺服控制器控制三路作動器停止運動，并保持原位。

圖8 位置同步控制流程示意圖Fig．8 Position synchronization control flow diagram

4．6 非對稱位置控制

非對稱單伸出活塞桿形式的液壓作動器在伸出和縮回時，由于液壓油作用截面積的不同，活塞桿伸出和縮回時輸出的驅(qū)動力不同，造成運動速度不同，進而影響作動器運動的平穩(wěn)性，因此，需要對作動器的運動方向進行識別，并對kp、kd 運動控制參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，以保證作動器的穩(wěn)定性和快速性。 在位置閉環(huán)控制初始時刻，對位置指令與當(dāng)前時刻位置反饋進行判斷，以識別出作動器的運動方向是伸出，還是縮回。 根據(jù)作動器的運動方向，動態(tài)選取位置環(huán)的kp、kd 控制參數(shù)對作動器進行位置控制。 非對稱位置控制流程如圖9 所示。

圖9 非對稱位置控制流程示意圖Fig．9 Asymmetric position control flow diagram

5 試驗驗證

為了考核非對稱伺服作動系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的正確性、可行性以及實際工作性能，設(shè)計了伺服作動系統(tǒng)模擬負載性能測試系統(tǒng)，以實現(xiàn)對伺服作動系統(tǒng)性能的驗證，試驗結(jié)果如圖10 ～圖12 所示。

圖10 為伺服作動系統(tǒng)在偏置37.5 mm、幅值為37.5 mm 位置的特性測試結(jié)果，以驗證伺服作動系統(tǒng)的運動平穩(wěn)性和慢速運動下的位置同步性能；圖11 為在25 mm 和70 mm 階躍時的響應(yīng)曲線，驗證伺服作動系統(tǒng)快速運動時的控制性能及位置同步性；圖12 為連續(xù)小階躍信號性能測試以考核全運動行程范圍內(nèi)工作性能。

圖10 位置特性曲線Fig．10 Position characteristic curve

圖11 階躍響應(yīng)曲線Fig．11 Step response curve

圖12 連續(xù)小階躍信號響應(yīng)曲線Fig．12 Continuous small step signal response curve

通過以上測試結(jié)果可以得出：

（1）伺服作動系統(tǒng)位置特性運動時的同步性偏差最大值為1 mm 時，滿足不大于2 mm 的要求，伸出、縮回時運動平穩(wěn)；

（2）在25 mm 階躍響應(yīng)時，三臺作動器的速度分別為97 mm／s、98 mm／s、98 mm／s；在70 mm 階躍響應(yīng)時，三臺作動器的速度分別為98 mm／s、99 mm／s、100 mm／s，速度誤差為2 mm／s，滿足不大于5 mm／s 的要求，且伸出、縮回時運動速度基本一致，實現(xiàn)了大階躍信號時的速度控制和位置同步性；

（3）通過連續(xù)小階躍信號的測試，覆蓋了不同位置和不同運動指令下的穩(wěn)定控制，驗證了全運動行程范圍內(nèi)的工作性能。

6 結(jié)束語

為滿足小型化、耐高溫以及高位置同步性的要求，將液壓控制閥組與作動器進行分體式設(shè)計，并將作動器活塞桿進行非對稱式設(shè)計，適應(yīng)了小軸向尺寸和徑向尺寸的要求，滿足了特殊工作環(huán)境溫度的要求；為保證發(fā)動機調(diào)節(jié)裝置的安全，采用全域控制參數(shù)動態(tài)調(diào)整的控制方案，在運動初始時刻、運動過程中以及伸出、縮回運動中，選取不同的控制參數(shù)，以滿足運動平穩(wěn)性和位置同步性的要求。

通過理論分析和試驗驗證，該伺服作動系統(tǒng)滿足環(huán)境和空間的技術(shù)要求，并具有較好的位置同步控制性能。