大型低速風(fēng)洞多通道電液伺服陣風(fēng)發(fā)生器協(xié)同驅(qū)動(dòng)控制策略研究

于金革， 王建鋒， 吳 帥， 李明陽(yáng)， 董韶鵬,4， 馬占元， 明 強(qiáng)

(1.中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.低速高雷諾數(shù)氣動(dòng)力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150001；3.北京航空航天大學(xué)， 北京 100191； 4.北京航辰機(jī)載智能系統(tǒng)科技有限公司，北京 100123)

引言

對(duì)于大展弦比飛機(jī)，由于機(jī)翼結(jié)構(gòu)柔性強(qiáng)，對(duì)陣風(fēng)響應(yīng)更加敏感，陣風(fēng)載荷經(jīng)常成為飛行載荷最嚴(yán)重的情況[1-2]。陣風(fēng)使機(jī)翼根部承受很大的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)載荷增量，容易使機(jī)體產(chǎn)生疲勞破壞。陣風(fēng)干擾還影響飛行員操縱飛機(jī)，導(dǎo)致飛行品質(zhì)降低。在空中飛行的導(dǎo)彈，若是遭遇陣風(fēng)，將引起導(dǎo)彈的剛體運(yùn)動(dòng)及彈性振動(dòng)，可能影響導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)安全、電氣設(shè)備的可靠性及命中精度[3]。此外，陣風(fēng)干擾還引起乘員感到不適，降低乘坐品質(zhì)[4]。因此在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段必須準(zhǔn)確預(yù)測(cè)陣風(fēng)載荷，且主要是通過(guò)風(fēng)洞模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行。

為了更好地開(kāi)展陣風(fēng)試驗(yàn)相關(guān)研究，需要建設(shè)陣風(fēng)發(fā)生器，并研究陣風(fēng)流場(chǎng)特性。20世紀(jì)60年代開(kāi)始，出現(xiàn)了各種形式的陣風(fēng)發(fā)生器。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在高校中建立了多個(gè)低速風(fēng)洞發(fā)生器，其中，意大利米蘭理工學(xué)院在4 m×3.84 m低速風(fēng)洞中設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的6葉片陣風(fēng)發(fā)生器；美國(guó)杜克大學(xué)陣風(fēng)發(fā)生器采用旋轉(zhuǎn)開(kāi)槽氣缸驅(qū)動(dòng)翼型的方式產(chǎn)生陣風(fēng)[5-6]；美國(guó)伊利諾伊理工學(xué)院在其風(fēng)洞閉口試驗(yàn)段建立了擺動(dòng)葉片式發(fā)生器，利用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)葉片產(chǎn)生正弦曲線運(yùn)動(dòng)[7]。國(guó)外在高速風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器方面也開(kāi)展了廣泛的研究，其中美國(guó)TDT風(fēng)洞采用4個(gè)振蕩機(jī)翼[8-9]以簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方式生成陣風(fēng)；英國(guó)皇家學(xué)會(huì)TWT風(fēng)洞建立了尾緣吹氣式陣風(fēng)發(fā)生器[10]。

相比而言，國(guó)內(nèi)陣風(fēng)發(fā)生器研制以風(fēng)洞試驗(yàn)單位為主，且只有低速風(fēng)洞具備陣風(fēng)試驗(yàn)?zāi)芰?。其中，北京航空航天大學(xué)在航天十一院3 m×3 m風(fēng)洞研制了擺動(dòng)葉片式陣風(fēng)發(fā)生器和半模型支撐裝置[11-13]。

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的梁鑒等[14]在4 m×3 m風(fēng)洞研制了可產(chǎn)橫向和縱向陣風(fēng)的兩套發(fā)生器。金華等[15]在8 m×6 m風(fēng)洞設(shè)計(jì)、加工了一套陣風(fēng)發(fā)生器，并研制了全模支撐系統(tǒng)，該發(fā)生器可在40 m/s風(fēng)速下產(chǎn)生正弦陣風(fēng)，模型中心處最大陣風(fēng)幅值大達(dá)9 m/s[1]，已開(kāi)展多期試驗(yàn)。

上述國(guó)、內(nèi)外陣風(fēng)發(fā)生器多采用電機(jī)+直線連桿形式，葉片只能按同波形、同頻率、同擺角運(yùn)動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)葉片組合波形運(yùn)動(dòng)，不能分別設(shè)置每個(gè)葉片的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，限制了發(fā)生器的使用范圍。此外，隨著我國(guó)大型客機(jī)研制對(duì)陣風(fēng)場(chǎng)模擬指標(biāo)的提升，需提高發(fā)生器葉片的弦長(zhǎng)、展長(zhǎng)、擺角和擺頻等參數(shù)，這就意味著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需提供更大角加速度和扭矩。

由于電液伺服系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、功重比高、驅(qū)動(dòng)力大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以針對(duì)FL-10風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器需求，研制了4通道伺服液壓擺動(dòng)缸直驅(qū)形式的陣風(fēng)發(fā)生器。4個(gè)葉片橫貫風(fēng)洞，每個(gè)葉片在風(fēng)洞外的一端連接一個(gè)擺動(dòng)式液壓馬達(dá)，進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。此驅(qū)動(dòng)形式的發(fā)生器洞內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)少，流場(chǎng)品質(zhì)好；由于獨(dú)立控制，所以擺動(dòng)可設(shè)置多頻率、多擺角、多波形的組合運(yùn)動(dòng)，為陣風(fēng)相關(guān)研究提供了非常好的模擬條件。為了保證陣風(fēng)模擬的品質(zhì)，需要4通道實(shí)現(xiàn)不同模式的協(xié)同控制，同時(shí)為了模擬高頻的陣風(fēng)干擾，要求運(yùn)動(dòng)頻率很高，這對(duì)控制提出了很高的要求。

針對(duì)高精度電液位置伺服控制，學(xué)者們提出了多種伺服控制算法，包括針對(duì)干擾抑制的線性自抗擾控制器[16]、魯棒自適應(yīng)高精度位置控制[17]、自適應(yīng)魯棒的電液伺服轉(zhuǎn)臺(tái)雙馬達(dá)同步控制等[18]。為此，針對(duì)FL-10風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器的協(xié)同控制，提出了一種改進(jìn)的抗干擾共反饋同步誤差校正控制方案。試驗(yàn)表明研究的同步控制算法達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 電液陣風(fēng)發(fā)生器原理

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

4通道的陣風(fēng)發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)生器安裝在FL-10風(fēng)洞的閉口試驗(yàn)段中，試驗(yàn)段尺寸為8 m(寬)×6 m(高)×21 m(長(zhǎng))，空風(fēng)洞最大風(fēng)速為110 m/s。陣風(fēng)發(fā)生器葉片為4組，翼型為NACA0015，展長(zhǎng)6 m，弦長(zhǎng)0.5 m，葉片間距為0.7 m。

圖1 風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器整體布置圖Fig.1 Overall scheme of wind tunnel gust generator

1.2 電液驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足陣風(fēng)發(fā)生器葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)氣動(dòng)力矩和慣性力矩大、擺動(dòng)頻率高的要求，采用葉片式液壓伺服擺動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。電液伺服擺動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)與控制葉片系統(tǒng)如圖2所示，主要包括大流量伺服閥、伺服擺動(dòng)馬達(dá)和運(yùn)動(dòng)控制器等組成。

圖2 陣風(fēng)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.2 Principle of electro-hydraulic gust generator

發(fā)生器葉片需要實(shí)現(xiàn)15°，10 Hz和5°，15 Hz兩種典型的高頻正弦運(yùn)動(dòng)。根據(jù)計(jì)算，可得15 Hz，5°正弦運(yùn)動(dòng)的最大速度為471.24 (°)/s(8.22 rad/s)，最大角加速度為44413.22 (°)/s2(775.09 rad/s2)；10 Hz，15°正弦運(yùn)動(dòng)的最大速度為942.48 (°)/s(16.45 rad/s)，最大角加速度為59217 (°)/s2(1033.53 rad/s2)。

葉片和傳動(dòng)軸的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.81 kg·m2，乘以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可得最大慣性負(fù)載為835 N·m。通過(guò)流場(chǎng)數(shù)值模擬分析，得到葉片在風(fēng)洞受到的最大氣動(dòng)扭矩約為788 N·m，所以液壓馬達(dá)總的驅(qū)動(dòng)力矩要大于1623.9 N·m?？紤]到外部機(jī)構(gòu)的摩擦等其他損失，按照85%的帶負(fù)載效率考慮，液壓馬達(dá)額定輸出扭矩不應(yīng)小于2000 N·m，再考慮20%的預(yù)留量，設(shè)計(jì)擺動(dòng)缸的動(dòng)態(tài)輸出扭矩為2400 N·m，據(jù)此計(jì)算擺動(dòng)缸的排量為：

Dm=Tm/pm

(1)

式中，Dm—— 液壓擺動(dòng)缸的單位弧度排量

Tm—— 動(dòng)態(tài)扭矩需求

pm—— 動(dòng)態(tài)工作壓力

取動(dòng)態(tài)工作壓力為14 MPa，然后取整排量Dm為170 mL/rad。為了提高驅(qū)動(dòng)端的緊湊性，采用了一體化集成驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，大幅縮短了驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，有利于高頻運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。圖3為陣風(fēng)發(fā)生器葉片式液壓馬達(dá)。

圖3 陣風(fēng)發(fā)生器葉片式液壓馬達(dá)Fig.3 Vane type hydraulic motor of gust generator

獲得排量之后，根據(jù)擺動(dòng)缸的最大速度要求，就可以計(jì)算出伺服閥的流量需求為168 L/min。為滿足裝置高頻、高精度的控制要求，采用Moog的D791高頻響電液伺服閥作為控制元件，其額定流量為250 L/min，-3 dB幅值衰減和-90°相移的頻響大于200 Hz。

2 協(xié)同控制策略研究

2.1 電液馬達(dá)葉片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

本系統(tǒng)的控制需求是實(shí)現(xiàn)4個(gè)葉片按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)波形運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)流過(guò)的氣流產(chǎn)生一定波形和頻率的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際飛行環(huán)境下的陣風(fēng)模擬。其控制需求，主要是高頻運(yùn)動(dòng)波形的控制精度和多通道間的相位同步要求。

本研究中的陣風(fēng)發(fā)生器的葉片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)典型的閥控馬達(dá)位置閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型主要包括伺服閥的流量方程、液壓馬達(dá)的流量連續(xù)性方程和負(fù)載的力平衡方程，3個(gè)方程對(duì)應(yīng)的拉氏變換分別如式(2)～式(4)：

QL=Kqxv-KcpL

(2)

(3)

pLDm=Jts2θm+Bmsθm+Tl

(4)

式中，QL—— 伺服閥的負(fù)載流量

Kq—— 伺服閥的流量增益

xv—— 伺服閥的閥芯位移

Kc—— 伺服閥的流量壓力系數(shù)

pL—— 液壓馬達(dá)的兩腔負(fù)載壓降

Dm—— 液壓馬達(dá)的排量

Kl—— 液壓馬達(dá)的泄漏系數(shù)

Vt—— 液壓馬達(dá)的負(fù)載容積

βe—— 液壓油有效彈性模量

Jt—— 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子和葉片的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

Bm—— 負(fù)載黏性阻尼系數(shù)

Tl—— 氣動(dòng)負(fù)載力矩

θm—— 葉片運(yùn)動(dòng)角度

2.2 單通道位置伺服控制策略研究

由于風(fēng)洞內(nèi)來(lái)流速度很高，葉片面積很大，所以葉片的負(fù)載力矩很大，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，且系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)大幅值、高動(dòng)態(tài)、高精度的角度控制，所以實(shí)現(xiàn)其控制是本研究的難點(diǎn)。

針對(duì)這一個(gè)問(wèn)題，本研究提出一種干擾補(bǔ)償?shù)那梆伩刂品椒ǎ瑔瓮ǖ赖南到y(tǒng)控制框圖如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)高頻的位置控制，控制環(huán)節(jié)中加入了速度和加速度前饋。針對(duì)支撐結(jié)構(gòu)在風(fēng)洞內(nèi)部會(huì)受到風(fēng)載的干擾的問(wèn)題，閉環(huán)反饋采用了PID控制和基于干擾觀測(cè)的位置控制(Disturbance Observer based Motion Control Systems，DOC)，將運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的氣動(dòng)負(fù)載變化和未知負(fù)載都視為干擾，通過(guò)補(bǔ)償環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，保證系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。

圖4 單通道控制框圖Fig.4 Diagram of one servo control channel

干擾觀測(cè)器的基本思想是將外部干擾及模型參數(shù)變化造成的實(shí)際對(duì)象與名義模型的輸出差異，全部等效至控制輸入端，即觀測(cè)出等效干擾，在控制中引入等量的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾完全抑制，其基本思想如圖5所示。

圖5 干擾觀測(cè)器原理圖Fig.5 Principle of distrbance observer

y=GUY(s)u+GDY(s)d+GξY(s)ξ

(5)

其中，

(6)

(7)

(8)

則在低頻時(shí)，由式(6)～式(8)，有：

GUY(s)=Gn(s),GDY(s)=0,GξY(s)=-1

(9)

上式說(shuō)明，在低頻段，即使GP(s)≠Gn(s)，或存在不確定性，干擾觀測(cè)器仍使得實(shí)際對(duì)象的響應(yīng)與名義模型的響應(yīng)一致，即控制器對(duì)對(duì)象參數(shù)變化具有一定魯棒性。GDY(s)=0說(shuō)明干擾觀測(cè)器對(duì)于Q(s) 頻帶內(nèi)的低頻干擾具有完全的抑制能力。GξY(s)=-1說(shuō)明干擾觀測(cè)器對(duì)于低頻測(cè)量噪聲非常敏感，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須考慮采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量中的低頻噪聲。

在高頻段，Q(s)=0，由式(6)～式(8)，有：

GUY(s)=GP(s),GDY(s)=GP(s),GξY(s)=0

(10)

上式說(shuō)明，干擾觀測(cè)器對(duì)高頻測(cè)量噪聲也不敏感。綜合而言，干擾觀測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻率段的干擾補(bǔ)償。

2.3 多通道控制策略研究

本系統(tǒng)中，4個(gè)通道是獨(dú)立同等控制，但每個(gè)通道的負(fù)載以及干擾都會(huì)存在一定的差異，因此在采用同等同步控制的基礎(chǔ)上加強(qiáng)各支路的聯(lián)系，減小各支路的運(yùn)動(dòng)差異，對(duì)4個(gè)液壓馬達(dá)的位移進(jìn)行互為補(bǔ)償，采用的控制策略如圖6所示。

圖6 同步控制策略Fig.6 Principle of synchronous control

采用一種交叉耦合同步控制結(jié)構(gòu)，選擇一個(gè)通道作為主運(yùn)動(dòng)通道，認(rèn)為該通道的協(xié)同誤差為0，其他通道的輸出角度和主運(yùn)動(dòng)通道進(jìn)行補(bǔ)償，將兩通道液壓馬達(dá)的角度進(jìn)行求差，并將二者的差值反饋到前向通道，分別對(duì)液壓缸的運(yùn)行加以有效控制以達(dá)到減小同步偏差的目的。

3 系統(tǒng)測(cè)試

FL-10風(fēng)洞的陣風(fēng)發(fā)生器系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示，包括4通道的電液伺服閥馬達(dá)、控制系統(tǒng)及葉片結(jié)構(gòu)，液壓馬達(dá)安裝在葉片的一端。

圖7 FL-10風(fēng)洞4通道電液伺服葉片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.7 Four-channel electro-hydraulic servo blade drive system of FL-10 wind tunnel

3.1 葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量

葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是影響發(fā)生器性能的重要指標(biāo)，也是液壓馬達(dá)參數(shù)選擇考慮的主要因素。采用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量(見(jiàn)圖8)，測(cè)量值與設(shè)計(jì)值的最大差量為0.06 kg·m2。

圖8 葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量Fig.8 Blade moment inertia measurement

3.2 葉片同步控制測(cè)試

在葉片擺角15°、擺頻10 Hz的工況下，開(kāi)展正弦同步控制測(cè)試，4組葉片同步驅(qū)動(dòng)的結(jié)果如圖9所示，指令之間的誤差曲線如圖10所示。從結(jié)果可以看出，葉片很好的跟蹤了需要的運(yùn)動(dòng)軌跡，每個(gè)通道的角度誤差都在0.7°以內(nèi)，任意2個(gè)葉片運(yùn)動(dòng)波形的相位差都小于1°，滿足陣風(fēng)發(fā)生器的使用要求。

圖9 4組葉片同步運(yùn)動(dòng)曲線Fig.9 Synchronous motion curves of four groups of blades

圖10 4組葉片同步運(yùn)動(dòng)誤差曲線Fig.10 Synchronous motionerror curves of four groups of blades

3.3 葉片不同運(yùn)動(dòng)波形測(cè)試

發(fā)生器葉片采用液壓伺服擺動(dòng)缸直驅(qū)的方式，可實(shí)現(xiàn)正弦波、三角波及隨機(jī)波等多種波形的組合運(yùn)動(dòng)，圖11給出了4組葉片同時(shí)、非同步擺動(dòng)的組合運(yùn)動(dòng)波形圖，表明發(fā)生器能模擬大氣中不同形式的擾流，尤其是隨機(jī)波的生成使設(shè)備具備了連續(xù)陣風(fēng)的模擬能力。

圖11 4組葉片同時(shí)擺動(dòng)(不同運(yùn)動(dòng))波形圖Fig.11 Waveforms of four groups of blades with different motions (simultaneous oscillations)

4 陣風(fēng)流場(chǎng)校測(cè)與試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)葉片陣風(fēng)發(fā)生器的陣風(fēng)發(fā)生效果進(jìn)行了校測(cè)試驗(yàn)，陣風(fēng)流場(chǎng)校測(cè)采用丹麥的Streamline Pro多通道熱線風(fēng)速儀。圖12給出葉片擺動(dòng)頻率為8 Hz、擺角為8°時(shí)下不同風(fēng)速的陣風(fēng)流場(chǎng)曲線，由圖可見(jiàn)，陣風(fēng)幅值隨來(lái)流速度不斷提高而增大，在來(lái)流風(fēng)速70 m/s，y方向的最大陣風(fēng)速度幅值為12.6 m/s。在來(lái)流風(fēng)速固定40 m/s，葉片擺角幅值為4°時(shí)，y方向的陣風(fēng)速度幅值隨擺動(dòng)頻率增大而不斷提高，最大工作頻率達(dá)到16 Hz。這些指標(biāo)表明研究的陣風(fēng)發(fā)生器能夠很好的滿足陣風(fēng)模擬需求。

圖12 陣風(fēng)流場(chǎng)曲線Fig.12 Gust flow field curve

基于陣風(fēng)發(fā)生器，進(jìn)行了陣風(fēng)減緩試驗(yàn)。采用某全彈性民機(jī)模型，在來(lái)流風(fēng)速20 m/s下，將葉片由下至上按1～4順序編號(hào)，其中葉片1和4擺角為3.5°，擺動(dòng)頻率為1 Hz；葉片2和3擺角為2.5°，擺頻為3.5 Hz。在該工況下開(kāi)啟和關(guān)閉陣風(fēng)載荷減緩控制系統(tǒng)，獲得機(jī)體響應(yīng)如圖13所示。由圖可見(jiàn)，發(fā)生器葉片可組合頻率運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了多頻率復(fù)雜陣風(fēng)場(chǎng)的模擬，很好的支撐陣風(fēng)載荷減緩試驗(yàn)研究。

圖13 陣風(fēng)載荷減緩試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Gust load alleviation effect

5 結(jié)論

通過(guò)FL-10風(fēng)洞電液陣風(fēng)發(fā)生器測(cè)試與試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

(1) FL-10風(fēng)洞電液陣風(fēng)發(fā)生器設(shè)計(jì)合理，采用液壓伺服擺動(dòng)直驅(qū)的設(shè)計(jì)方式，可實(shí)現(xiàn)高頻率、大幅值陣風(fēng)流場(chǎng)的模擬；

(2) 4通道電液同步伺服控制及改進(jìn)的共反饋同步誤差校正控制方法的采用保證了多通道的同步控制精度；

(3) 發(fā)生器具備多頻率和多波形的復(fù)雜陣風(fēng)場(chǎng)模擬能力，并通過(guò)了某全彈性民機(jī)模型陣風(fēng)載荷減緩試驗(yàn)驗(yàn)證，F(xiàn)L-10風(fēng)洞建立了電液伺服陣風(fēng)發(fā)生器試驗(yàn)平臺(tái)，具備了開(kāi)展陣風(fēng)相關(guān)研究能力。