基于油液補(bǔ)償?shù)睦走_(dá)天線舉升同步控制技術(shù)研究

彭國朋，胡長明，婁華威

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039)

0 前言

由于液壓系統(tǒng)可在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)大范圍無級調(diào)速，且在同等輸出功率下，其體積小、質(zhì)量小、運(yùn)動(dòng)慣性小、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，可有效提高雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)天線架撤系統(tǒng)。

地基雷達(dá)天線液壓舉升動(dòng)作一般采用左右雙液壓缸同步驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，但鑒于自身偏載和摩擦轉(zhuǎn)矩不同等影響，導(dǎo)致左右油缸的負(fù)載存在一定差異,進(jìn)而出現(xiàn)左右油缸動(dòng)作不同步問題。此時(shí)若考慮選擇基于液壓分流技術(shù)的強(qiáng)制同步方案，由于分流器件自身的精度因素影響，可能會(huì)使陣面出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象。因此，傳統(tǒng)天線陣面的左右雙液壓缸舉升同步性能主要依靠陣面自身的剛度來保證。

隨著天線陣面向大型化、輕薄化方向發(fā)展，陣面剛度逐漸變?nèi)?，系統(tǒng)對雙液壓缸舉升過程中的同步性能要求越來越高，提高雙缸同步控制精度是地基雷達(dá)液壓系統(tǒng)新的研究方向。

本文作者提出一種基于油液補(bǔ)償?shù)男滦屯娇刂品桨?。該方案速度變化量小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，補(bǔ)油僅對同步誤差做出補(bǔ)償，即使控制系統(tǒng)和傳感器出現(xiàn)故障，左右液壓缸也不會(huì)快速出現(xiàn)嚴(yán)重不同步現(xiàn)象；結(jié)合機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真并搭建試驗(yàn)平臺開展同步性能試驗(yàn)驗(yàn)證，對雷達(dá)天線舉升同步控制技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 天線舉升同步控制系統(tǒng)組成

天線舉升同步控制系統(tǒng)主要由機(jī)械、液壓、控制三部分組成，如圖1所示。負(fù)載敏感泵輸出高壓油，經(jīng)過比例換向閥控制左右兩只舉升油缸實(shí)現(xiàn)天線舉升及倒伏功能，左右液壓缸的工作位移由位移傳感器檢測，經(jīng)過控制器比較后，輸出控制指令給動(dòng)作較慢的油缸對應(yīng)的補(bǔ)償閥，經(jīng)過補(bǔ)償閥適時(shí)補(bǔ)油，實(shí)現(xiàn)左右兩液壓缸的運(yùn)動(dòng)同步。

圖1 天線舉升同步控制系統(tǒng)組成

1.1 天線同步舉升液壓系統(tǒng)原理

如圖2所示，采用一種分流/集流+比例補(bǔ)油的液壓方案，即在液壓系統(tǒng)中增加分流/集流閥，在舉升過程中，當(dāng)兩油缸的負(fù)載不平衡時(shí)，負(fù)載大的一側(cè)壓力升高，產(chǎn)生的壓力差將推動(dòng)閥芯向低壓側(cè)動(dòng)作，強(qiáng)制兩側(cè)油缸輸入流量相等，保證動(dòng)作同步。但當(dāng)兩側(cè)負(fù)載相差較大時(shí)，分流/集流閥不能完全保證兩路的流量相同，會(huì)產(chǎn)生3%～5%的誤差。

圖2 分流/集流+比例補(bǔ)油液壓原理

為彌補(bǔ)兩側(cè)負(fù)載相差較大時(shí)分流/集流閥產(chǎn)生的流量誤差，在系統(tǒng)中需增加比例換向閥進(jìn)行補(bǔ)油，強(qiáng)制控制兩支路流量相等。通過左右油缸的位移反饋進(jìn)行比較，以控制左右支路換向閥的閥芯開口，輸出補(bǔ)償油液。在舉升過程中，當(dāng)差值為正值時(shí)，說明左側(cè)油缸伸出速度大于右側(cè)，此時(shí)需控制比例換向閥1向右側(cè)支路補(bǔ)油，若為負(fù)值則需對左側(cè)支路補(bǔ)油。在倒伏過程中，當(dāng)差值為正值時(shí)，說明左側(cè)油缸縮回速度小于右側(cè)，此時(shí)需控制比例換向閥2向左側(cè)支路補(bǔ)油；若為負(fù)值則需對右側(cè)支路補(bǔ)油。位移差值的門限值可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置2個(gè)油缸誤差為2 mm。

1.2 天線同步舉升控制系統(tǒng)原理

左右液壓缸的位移通過傳感器檢測并進(jìn)行比較，若左液壓缸的位移大于右液壓缸，則由控制器發(fā)出指令控制右補(bǔ)油閥工作，對右液壓缸進(jìn)行補(bǔ)油，使得兩液壓缸運(yùn)動(dòng)同步；反之，則由控制器發(fā)出指令控制左補(bǔ)油閥工作，對左液壓缸進(jìn)行補(bǔ)油，使得兩液壓缸運(yùn)動(dòng)同步。其控制原理如圖3所示。

圖3 天線同步舉升控制原理

2 天線同步舉升控制機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真

天線舉升同步控制機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺如圖4所示。機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)分別并行建模，最終導(dǎo)入MATLAB/Simulink中進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算。通過相關(guān)狀態(tài)參數(shù)的傳遞建立接口關(guān)系。

圖4 機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺

2.1 機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合建模

利用Motion/plantout模塊提供的與MATLAB/Simulink軟件的接口，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)模型與其他模型的聯(lián)合仿真。利用AMESim提供的與MATLAB/Simulink軟件的接口，可以實(shí)現(xiàn)液壓模型與其他模型的聯(lián)合仿真。

在MATLAB/Simulink中建立閥控給定信號、后處理顯示模塊等。在Simulink集成仿真環(huán)境中按對應(yīng)的接口變量關(guān)系連接液壓模型和機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型，組成聯(lián)合仿真模型，如圖5所示。

圖5 機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

2.2 天線舉升同步控制仿真

在MATLAB/Simulink中運(yùn)行機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，時(shí)間設(shè)置為25 s。因天線舉升與倒伏為相反過程，現(xiàn)以舉升過程為例對系統(tǒng)進(jìn)行同步控制仿真，在Simulink/Scope中觀察并輸出左右油缸運(yùn)動(dòng)位移等仿真結(jié)果曲線。同時(shí)，應(yīng)用Motion動(dòng)力學(xué)模型可生成三維仿真動(dòng)畫，左右液壓缸的位移、速度等仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 機(jī)電液系統(tǒng)仿真曲線

可以看出：在0～5 s內(nèi)，油缸運(yùn)行速度波動(dòng)較大，后期趨于穩(wěn)定；兩油缸偏載約11%；采取控制措施前，兩油缸的最大位移差約為5 mm，采用補(bǔ)油控制后，左右油缸運(yùn)動(dòng)速度響應(yīng)時(shí)間約為0.2 s，二者位移達(dá)到預(yù)期的同步效果，位移差最大為0.6 mm，同步誤差小于0.12%。

3 天線舉升同步控制試驗(yàn)

為對上述同步控制系統(tǒng)仿真研究的相關(guān)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)系統(tǒng)原理搭建實(shí)物平臺進(jìn)行試驗(yàn)，為后續(xù)類似系統(tǒng)的研制提供參考。

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

該試驗(yàn)主要依托某雷達(dá)天線陣面舉升裝置，在此基礎(chǔ)上搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括在天線陣面上配置偏載、在油路系統(tǒng)中加裝補(bǔ)油閥組、在控制系統(tǒng)中安裝位移傳感器,并進(jìn)行反饋控制。完成以上配置及連接，最終搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 舉升同步控制試驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖8—圖15所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

圖8所示某雷達(dá)第一輪樣機(jī)原始狀態(tài)，即沒有施加模擬偏載和補(bǔ)油同步控制措施時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。可以看出：原始狀態(tài)天線剛度較好，兩油缸均載，同步誤差最大約為2 mm。

圖9所示施加模擬偏載(設(shè)置背壓10 MPa，兩油缸偏載35%)、無補(bǔ)油同步控制措施時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。可以看出：兩油缸同步誤差大于8 mm，且呈逐漸增大趨勢。

圖8 試驗(yàn)曲線(無偏載) 圖9 試驗(yàn)曲線(偏載35%+無補(bǔ)油控制)

圖10所示為施加模擬偏載(背壓10 MPa，兩油缸偏載35%)、增加補(bǔ)油同步控制措施時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。可以看出：兩油缸同步誤差最大約為7 mm。

圖11所示施加模擬偏載(背壓2 MPa，兩油缸偏載11%)、無補(bǔ)油同步控制措施時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯簝捎透淄秸`差最大約為2.5 mm，且呈逐漸增大趨勢。

圖10 試驗(yàn)曲線(偏載35%+補(bǔ)油控制) 圖11 試驗(yàn)曲線(小偏載11%+無補(bǔ)油控制)

圖12所示施加模擬偏載(背壓2 MPa，兩油缸偏載11%)、增加補(bǔ)油同步控制措施時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯簝捎透淄秸`差最大為0.7 mm，且呈逐漸減小趨勢。

圖13所示為施加模擬偏載(背壓4 MPa，兩油缸偏載22%)、無補(bǔ)油同步控制措施時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。可以看出：兩油缸同步誤差最大約為6 mm，且呈逐漸增大趨勢。

圖12 試驗(yàn)曲線(小偏載11%+補(bǔ)油控制) 圖13 同步試驗(yàn)曲線(偏載22%+無補(bǔ)油控制)

圖14所示施加模擬偏載(背壓4 MPa，兩油缸偏載22%)、增加補(bǔ)油同步控制(PID控制器參數(shù)較小，取值為0.24)時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?兩油缸同步誤差最大約為2.3 mm，且呈逐漸減小趨勢。

圖14 試驗(yàn)曲線(偏載22%+補(bǔ)油控制,PID控制參數(shù)K較小) 圖15 試驗(yàn)曲線(偏載22%+補(bǔ)油控制,PID控制參數(shù)K較大)

圖15所示施加模擬偏載(背壓4 MPa，兩油缸偏載22%)、增加補(bǔ)油同步控制措施(PID控制器參數(shù)較大，取值為1.36)時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯簝捎透淄秸`差最大為1.8 mm，且呈逐漸減小趨勢。試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

通過以上曲線及數(shù)據(jù)可以看出：

(1)兩油缸無偏載且無補(bǔ)油控制時(shí)，同步誤差為2 mm，表明天線剛度較好，此時(shí)不需增加同步控制；

(2)兩油缸偏載35%、無補(bǔ)油控制時(shí)，同步誤差為8 mm，加入補(bǔ)油控制后同步誤差最大為7 mm，表明兩油缸偏載不能過大，否則同步效果較差；

(3)兩油缸偏載11%，無補(bǔ)油控制時(shí)，同步誤差為2.5 mm，加入補(bǔ)油控制后同步誤差最大為0.7 mm，表明兩油缸偏載較小時(shí)控制精度較高，同步誤差可控制在1 mm內(nèi)；

(4)兩油缸偏載22%，無補(bǔ)油控制時(shí)，同步誤差為6 mm，加入補(bǔ)油控制后同步誤差最大為2 mm(PID控制參數(shù)較大)，表明兩油缸偏載較大時(shí)可以通過補(bǔ)油控制使同步誤差小于2 mm。

當(dāng)陣面偏載不大于11%時(shí)，可采用補(bǔ)油控制使同步誤差控制在1 mm以內(nèi)，此時(shí)兩油缸主流量誤差小，不易引起陣面振顫，天線運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)。

4 結(jié)束語

(1)通過對雷達(dá)天線舉升雙油缸液壓驅(qū)動(dòng)采用分流/集流+比例補(bǔ)油同步控制模式，使雙油缸的主流量保證大致同步，并根據(jù)位置反饋的同步誤差情況進(jìn)行小流量補(bǔ)油，同步控制精度較高，并且補(bǔ)油頻率低，可以保證陣面運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；

(2)通過對液壓及控制部分AMESim單獨(dú)建模、Motion中機(jī)構(gòu)建模，結(jié)合軟件接口在MATLAB/Simulink集成仿真環(huán)境中完成同步舉升機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合建模與仿真，仿真結(jié)果表明同步控制誤差小于2 mm,同步控制精度優(yōu)于2 mm；

(3)根據(jù)同步舉升控制系統(tǒng)原理，搭建試驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本一致。