一種多自由度負(fù)載模擬系統(tǒng)的建模與仿真

一種多自由度負(fù)載模擬系統(tǒng)的建模與仿真

0綜合式負(fù)載模擬系統(tǒng)的提出用于對(duì)運(yùn)輸工具葉片網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和評(píng)估，是具有重要的地面試驗(yàn)設(shè)備的描述系統(tǒng)地，用于模擬真實(shí)手臂在飛機(jī)上的負(fù)荷，并檢測(cè)可靠設(shè)備產(chǎn)品的技術(shù)性能。另一方面，在改進(jìn)和開(kāi)發(fā)姿態(tài)上，負(fù)荷模擬系統(tǒng)可以替代不同規(guī)格的負(fù)荷實(shí)物，在不同狀態(tài)下提供不同的測(cè)試數(shù)據(jù)，從而節(jié)省大量的研發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。目前,國(guó)內(nèi)外大型負(fù)載模擬系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)方式一般分為機(jī)械加載、液壓加載及電動(dòng)加載。相對(duì)電動(dòng)加載而言,液壓加載出力大,頻寬高,加載具有較高靈活性,其缺點(diǎn)是多余力以及響應(yīng)滯后等。相反,機(jī)械加載的優(yōu)點(diǎn)在于精度高,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜及靈活性不足。對(duì)于大推力運(yùn)載火箭而言,原有的推力矢量伺服(TVC)系統(tǒng)負(fù)載模擬設(shè)備已經(jīng)不能滿足要求。目前現(xiàn)有的TVC機(jī)構(gòu)負(fù)載模擬器,只能模擬慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載,而且無(wú)法模擬實(shí)際工作狀態(tài)下負(fù)載運(yùn)動(dòng)的雙諧振峰現(xiàn)象。針對(duì)運(yùn)載火箭伺服機(jī)構(gòu)的諧振特性,本文提出一種包括機(jī)械和液壓加載的新型綜合式負(fù)載模擬系統(tǒng),兼具靈活性和加載精確性的特點(diǎn),能夠模擬伺服機(jī)構(gòu)各種負(fù)載并復(fù)現(xiàn)負(fù)載響應(yīng)的雙諧振峰現(xiàn)象。對(duì)于此多自由度伺服控制系統(tǒng),文中對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行建模和仿真,并通過(guò)原理性實(shí)驗(yàn)表明其模擬伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的可行性,從而為負(fù)載模擬系統(tǒng)的建立提供理論參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。1多自由度動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性運(yùn)載火箭的TVC機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)及噴管搖擺運(yùn)動(dòng),其工作原理見(jiàn)圖1.一般情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)噴管可以有兩個(gè)自由度的擺動(dòng),在相互垂直方向上有相應(yīng)的兩個(gè)伺服機(jī)構(gòu),通過(guò)控制兩伺服機(jī)構(gòu)各自的伸長(zhǎng)量,來(lái)實(shí)現(xiàn)噴管在空間中的任意角度。伺服機(jī)構(gòu)由電液伺服閥、液壓作動(dòng)筒以及液壓源組成。伺服閥作為伺服機(jī)構(gòu)的控制元件,控制液壓作動(dòng)筒的運(yùn)動(dòng)。液壓源可以獨(dú)立設(shè)置也可以與伺服機(jī)構(gòu)做成一體。為了突出研究重點(diǎn),圖1中畫出了其中一個(gè)自由度的情況。矢量噴管結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在多個(gè)剛度較小的部件,整個(gè)噴管體現(xiàn)出一種復(fù)雜的柔性特點(diǎn)。鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性,目前還無(wú)法建立其非剛體動(dòng)力學(xué)模型;另一方面,限于實(shí)際工作環(huán)境,伺服機(jī)構(gòu)支撐部分也存在一定的柔度。地面測(cè)試表明,矢量噴管在動(dòng)態(tài)響應(yīng)上表現(xiàn)出雙諧振峰的特性,見(jiàn)圖2.其中,第一個(gè)諧振峰被證實(shí)為由于伺服機(jī)構(gòu)的支撐柔度引起的,因?yàn)楦淖冎谓Y(jié)構(gòu)的剛度后,此諧振峰的頻率點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)平移,而對(duì)第二個(gè)諧振峰影響不大;另一個(gè)諧振峰則來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)本身,是其綜合柔性在頻域上的體現(xiàn),或者說(shuō)是發(fā)動(dòng)機(jī)自身的1階固有頻率;其它諧振峰已經(jīng)大為衰減,在頻域上表現(xiàn)并不明顯,也不作為主要的關(guān)注對(duì)象。對(duì)于一個(gè)液壓伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō),雙諧振峰表明控制系統(tǒng)中存在多自由度運(yùn)動(dòng)的情況。而負(fù)載模擬的目標(biāo),是為真實(shí)的TVC機(jī)構(gòu)模擬一個(gè)負(fù)載環(huán)境,在此架構(gòu)下按用各種頻率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu),其負(fù)載輸出的響應(yīng)特性必須與目標(biāo)負(fù)載頻率特性(見(jiàn)圖2)一致。2負(fù)載模擬系統(tǒng)的建立對(duì)于TVC機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),所受負(fù)載包括:慣性負(fù)載、彈性負(fù)載、摩擦負(fù)載以及常值負(fù)載等,那么一個(gè)完整負(fù)載模擬系統(tǒng)應(yīng)包括對(duì)以上負(fù)載的模擬。液壓加載存在相位的滯后和幅值的衰減,而相位滯后有可能使得模擬出的慣性及彈性負(fù)載特性與實(shí)際相差較大,因此本系統(tǒng)中慣性負(fù)載和彈性負(fù)載由機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬。而液壓系統(tǒng)用來(lái)模擬摩擦負(fù)載及常值負(fù)載,以便可以隨時(shí)改變其數(shù)值。按照此思想建立的負(fù)載模擬系統(tǒng)模型如圖3,摩擦負(fù)載和常值負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響不大因而圖中未體現(xiàn)加載液壓系統(tǒng)。圖3中:k1為伺服機(jī)構(gòu)支撐剛度;Bc1為彈性支撐等效阻尼;Fg為伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力;mT為伺服機(jī)構(gòu)缸筒的質(zhì)量;Bc為伺服機(jī)構(gòu)的粘性阻尼系數(shù);mp為大質(zhì)量塊的質(zhì)量;yd為大質(zhì)量塊的絕對(duì)位移;k2為兩質(zhì)量塊之間的彈簧剛度;Bc2為大、小質(zhì)量塊之間的粘性阻尼系數(shù);k3為等效的負(fù)載剛度;ms為小質(zhì)量塊的質(zhì)量;ys為小質(zhì)量塊的絕對(duì)位移;yT為缸筒的絕對(duì)位移。從圖3中可看到,在負(fù)載模擬系統(tǒng)中,為了降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,用平動(dòng)的慣性負(fù)載等效代替發(fā)動(dòng)機(jī)和噴管的回轉(zhuǎn)負(fù)載。負(fù)載模擬系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)安裝在一個(gè)非剛性的結(jié)構(gòu)上,而負(fù)載本身也存在一定的柔性結(jié)構(gòu)(用彈簧連接大、小質(zhì)量塊模擬),因此此系統(tǒng)與伺服機(jī)構(gòu)實(shí)際工作環(huán)境和負(fù)載的特點(diǎn)是近似的。顯然,這也是一個(gè)多自由度液壓伺服系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上可以通過(guò)改變各環(huán)節(jié)的剛度、質(zhì)量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,人為構(gòu)造多個(gè)諧振峰。3負(fù)載模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為了驗(yàn)證圖3中系統(tǒng)的可行性以及合理配置負(fù)載模擬系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的參數(shù),需要對(duì)此多自由度伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模。閥控液壓系統(tǒng)本身是一個(gè)非線性系統(tǒng),對(duì)于TVC系統(tǒng)來(lái)說(shuō),閥芯位移總是很小,系統(tǒng)呈現(xiàn)較好線性特征,因此優(yōu)先考慮系統(tǒng)的線性模型。與一般液壓位置伺服系統(tǒng)不同的是,此負(fù)載模擬系統(tǒng)中的伺服機(jī)構(gòu)不僅受到支撐柔性的影響,同時(shí)也受到負(fù)載柔性的影響,因此其控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及響應(yīng)特性都受到顯著影響。根據(jù)圖3,建立系統(tǒng)的方程:?????????????????????????????????????QL=Kqxv?KcpL?QL=Adydt+CtcpL+Vt4βe?dpLdt?yp=yd?yT??(ys?yd)k2=msdy2sd2t+Bc2d(ys?yd)dt?Fg+Bc2d(ys?yd)dt=mpdy2dd2t+Bcdypdt+kyd?(ys?yd)k2?yTk1+Bcdypdt=mTdy2Td2t+Bc1dyTdt+Fg,(1){QL=Κqxv-ΚcpL?QL=Adydt+CtcpL+Vt4βe?dpLdt?yp=yd-yΤ?-(ys-yd)k2=msdys2d2t+Bc2d(ys-yd)dt?Fg+Bc2d(ys-yd)dt=mpdyd2d2t+Bcdypdt+kyd-(ys-yd)k2-yΤk1+Bcdypdt=mΤdyΤ2d2t+Bc1dyΤdt+Fg,(1)式中:QL為負(fù)載流量;xv為閥芯位移;A為活塞有效面積;Kq為流量增益;Kc為滑閥的流量—壓力系數(shù);pL為負(fù)載壓降;Ctc為泄漏系數(shù);βe為等效體積彈性模數(shù);yp為活塞桿相對(duì)位移;Vt為液壓缸容積。可以看到,與傳統(tǒng)的液壓伺服系統(tǒng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)模型相比,系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。方程組(1)式中的第5個(gè)方程是伺服機(jī)構(gòu)的力平衡方程,與經(jīng)典的閥控缸系統(tǒng)力平衡方程不同的是,增加了支撐的柔性以及大、小質(zhì)量塊之間的柔性對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的影響。由于存在眾多儲(chǔ)能元件,此系統(tǒng)是一個(gè)高階復(fù)雜系統(tǒng)。雖然可以推導(dǎo)出輸出與伺服機(jī)構(gòu)的開(kāi)環(huán)輸入之間的傳遞函數(shù),但由于階數(shù)高且參數(shù)復(fù)雜,其實(shí)用性不強(qiáng)。因此本文在方程組(1)式的基礎(chǔ)上通過(guò)建立框圖來(lái)描述整個(gè)負(fù)載模擬系統(tǒng),見(jiàn)圖4.圖4中包含了一個(gè)典型的伺服系統(tǒng),按照伺服機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)建立位置反饋,從而成為一個(gè)閉環(huán)伺服系統(tǒng)。其中Ka為閉環(huán)系統(tǒng)前向通道比例增益,Kce為總流量壓力系數(shù)。但此伺服系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程與支撐柔度、負(fù)載柔度相耦合,引起整個(gè)系統(tǒng)特性的變化。根據(jù)某型TVC機(jī)構(gòu)的參數(shù),按照此模型進(jìn)行仿真,可以觀察到伺服機(jī)構(gòu)的支撐柔性和負(fù)載柔性對(duì)伺服機(jī)構(gòu)本身響應(yīng)特性的影響,見(jiàn)圖5.從圖中可知,在考慮柔性因素后,伺服機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度沒(méi)有明顯變化,但響應(yīng)品質(zhì)下降,發(fā)生了一定范圍的波動(dòng)。而由于負(fù)載柔性影響,負(fù)載位置輸出的波動(dòng)更大,見(jiàn)圖6.若需要對(duì)負(fù)載位置輸出的波動(dòng)進(jìn)行抑制,需要增加負(fù)載的結(jié)構(gòu)阻尼。圖7顯示了伺服機(jī)構(gòu)的缸筒有一定的振動(dòng),仿真表明,增加負(fù)載的阻尼能夠抑制缸筒的振動(dòng)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行掃頻輸入,其幅頻特性見(jiàn)圖8.可見(jiàn)負(fù)載輸出顯示出雙諧振峰的特性,與實(shí)際TVC機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性一致,表明了模擬的有效性,以及負(fù)載模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性。4系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果為驗(yàn)證負(fù)載模擬設(shè)備的可行性,根據(jù)圖3建立原型試驗(yàn)系統(tǒng),包括大質(zhì)量塊、小質(zhì)量塊以及彈性連桿等,在小質(zhì)量塊上安裝位移傳感器,以測(cè)量負(fù)載輸出,如圖9所示。具體參數(shù)如下:大質(zhì)量塊74kg;小質(zhì)量塊39kg;彈性連桿為45號(hào)鋼,長(zhǎng)300mm,直徑15mm;液壓缸活塞直徑80mm,活塞桿直徑45mm,行程500mm;伺服閥為偏導(dǎo)射流型,空載流量100L/min,驅(qū)動(dòng)電流-10~10mA;試驗(yàn)壓力10MPa,最高壓力20MPa.掃頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10.從圖10可以看到,系統(tǒng)在12s-1和50s-1有兩個(gè)諧振峰,與TVC系統(tǒng)所表現(xiàn)出來(lái)的特性是類似的。由于條件所限,原型系統(tǒng)的很多參數(shù)無(wú)法適當(dāng)調(diào)整,其諧振峰值、諧振點(diǎn)等與實(shí)際伺服機(jī)構(gòu)幅頻特性有所區(qū)別,但實(shí)驗(yàn)已表明負(fù)載模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可行性。實(shí)驗(yàn)中,1階和2階諧振峰值比實(shí)際系統(tǒng)都有減小,這主要是因?yàn)榇筚|(zhì)量塊和小質(zhì)量塊所受的摩擦阻力都相對(duì)較大造成的。為了真實(shí)地模擬伺服機(jī)構(gòu)的雙諧振峰特性,需要盡量減小液壓缸、大小質(zhì)量塊的摩擦阻力以降低諧振的阻尼比,提高諧振峰值,這也是實(shí)際負(fù)載模擬研制時(shí)必須考慮的問(wèn)題。5tvc機(jī)構(gòu)負(fù)載模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1)針對(duì)TVC控制系統(tǒng)的地