電傳飛機伺服作動系統(tǒng)非線性建模

梁瓊花

（洪都航空工業(yè)集團,南昌 330024）

0 引 言

在飛機研制過程中，尤其是電傳操縱飛機研制時，伺服作動系統(tǒng)作為電傳操縱系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其真實特性往往成為影響穩(wěn)定儲備等控制律設(shè)計的重要指標，其剛度特性也是影響飛機顫振特性的重要因素。而作為伺服作動系統(tǒng)主要組成部分的液壓作動器是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其特性在空載、滿載或不同的工作行程點都呈現(xiàn)出不同的特性。在傳統(tǒng)的飛機設(shè)計流程中，這些特性往往通過建立半物理仿真環(huán)境進行地面模擬試驗來獲得。半物理仿真環(huán)境 （也就是通常所說的鐵鳥臺）除飛控系統(tǒng)實物外，還包括模擬飛機結(jié)構(gòu)的臺架、加載系統(tǒng)以及相關(guān)的測試設(shè)備等。該環(huán)境的建設(shè)耗費資金多，周期長，尤其是加載系統(tǒng)，目前國內(nèi)還沒有較好的生產(chǎn)廠家，往往都從其它國家進口，花費巨大。如果能建立真實反映伺服作動系統(tǒng)非線性的仿真模型，在飛控系統(tǒng)仿真分析以及顫振特性分析中引入該模型，進行聯(lián)合仿真分析，并據(jù)此進行優(yōu)化設(shè)計，將大大節(jié)省研制費用和研制周期。

1 伺服作動系統(tǒng)非線性建模

1.1 電傳飛機伺服作動系統(tǒng)組成

電傳飛機伺服作動系統(tǒng)一般由作動器和傳動機構(gòu)組成，典型的伺服作動系統(tǒng)組成如圖1所示。由于液壓系統(tǒng)具有響應(yīng)快等特點，飛機伺服作動器通常都采用閥控液壓缸式的作動器，圖2是目前應(yīng)用最為廣泛的直接驅(qū)動閥式伺服作動器原理圖。

1.2 伺服系統(tǒng)非線性特性及其對系統(tǒng)性能的影響分析

根據(jù)電傳飛機伺服作動系統(tǒng)的組成特點，其非線性特性主要表現(xiàn)在作動器的非線性以及傳動機構(gòu)的非線性。

直接驅(qū)動閥式伺服作動器是典型的閥控缸伺服作動器，這是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，要對其進行深入的研究，就必須依據(jù)其非線性的特性進行較為精確的非線性建模，該系統(tǒng)中比較典型的非線性環(huán)節(jié)包括DDV閥流量增益的非線性[2]（圖3），DDV閥閥芯與作動筒活塞的摩擦非線性，以及DDV閥正開口與負開口時系統(tǒng)產(chǎn)生不同負載壓力的分段非線性[2]（圖 4）。

圖1 伺服作動系統(tǒng)組成

圖2 作動器原理圖

圖3 流量增益曲線

圖4 壓力流量曲線

傳動機構(gòu)的非線性表現(xiàn)在機構(gòu)的傳動間隙和摩擦等。間隙對系統(tǒng)性能的主要影響有兩方面[3]：一是增大了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，降低了控制精度，這相當于死區(qū)的影響；二是使系統(tǒng)過渡過程的振蕩加劇，甚至使系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定，間隙過大，蓄能過多，將會造成系統(tǒng)自振。摩擦對系統(tǒng)性能的主要影響[3]從靜態(tài)方面看，相當于在執(zhí)行機構(gòu)中引入死區(qū)，會增大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，降低系統(tǒng)的精度；對動態(tài)性能的影響則是造成系統(tǒng)低速運動的不平滑。

1.3 伺服系統(tǒng)非線性建模

1.3.1 傳動機構(gòu)非線性建模

在實際的傳動機構(gòu)中，間隙與摩擦的作用往往是交聯(lián)在一起，不同的摩擦力狀態(tài)往往使得間隙的表現(xiàn)并不是理想的間隙特征狀態(tài)，而表現(xiàn)出一種復(fù)合的非線性特性，建模時無法精確建模。另外，上述分析可知，間隙對系統(tǒng)性能的影響一方面相當于死區(qū)的影響，另一方面會使系統(tǒng)過渡過程的振蕩加劇，甚至使系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定，而實際情況是，伺服作動系統(tǒng)并未因此而出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，為了避免由于模型原因引起的發(fā)散，而非真實的不穩(wěn)定現(xiàn)象，傳動機構(gòu)建模時，除了真實反映其傳動的比例關(guān)系外，對于間隙和摩擦特性的影響，本文僅考慮用一個死區(qū)特性來模擬。

1.3.2 作動器建模

為了消除無關(guān)因素干擾，便于對系統(tǒng)進行更有針對性的研究，作如下建模假設(shè)：

1）系統(tǒng)的供油壓力保持恒定，忽略液壓泵的流量脈動對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響；

2）油液溫度保持不變，因此其密度、彈性模量等溫度敏感參數(shù)保持不變；

3）DDV閥與作動筒之間的管路足夠短，將閥內(nèi)容腔與作動筒容腔視為一體，忽略由管路特性帶來的對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響；

4）DDV閥的力矩馬達是一個理想的慣性環(huán)節(jié)；

5）作動筒活塞的粘性阻尼力很小，負載力中可忽略這部分的影響。

下面從作動器的負載流量方程[1]、流量連續(xù)方程[1]、力平衡方程[1]三個方面來建立數(shù)學模型。

首先考慮當DDV閥閥芯向右移動(xv>0)時的情況：作動筒的負載流量方程：

流量連續(xù)方程：

力平衡方程：

當DDV閥閥芯向右移動(v＜0)時，只有負載流量方程不同，見式（6）、式（7），流量連續(xù)方程和力平衡方程不變。

根據(jù)式（1）～式（7）以及傳動機構(gòu)的非線性特性,以某型機平尾伺服作動系統(tǒng)為例，建立Simulink模型(圖 5)。

圖5 作動器模型

2 仿真分析

分別給系統(tǒng)施加不同幅值階躍指令，系統(tǒng)位置滿載響應(yīng)曲線如圖6所示，試飛試驗曲線如圖7所示。

圖6 舵面仿真階躍響應(yīng)曲線

圖7 舵面實際階躍響應(yīng)曲線

對比分析圖6和圖7可知，以上述方法建立的伺服作動系統(tǒng)非線性模型能準確反映實物的動態(tài)特性。

3 結(jié) 語

以某型機平尾伺服系統(tǒng)為例，詳細分析了直接驅(qū)動閥式作動器伺服系統(tǒng)的非線性特性，建立了精確的非線性模型，用Simulink框圖的方法實現(xiàn)，通過設(shè)置合適的仿真步長，對其特性進行仿真分析，并與實際試驗曲線進行對比可知，利用該方法建立的伺服系統(tǒng)非線性模型能夠準確地體現(xiàn)出系統(tǒng)在空載和滿載下真實的動態(tài)響應(yīng)特性，可廣泛地應(yīng)用于飛機研制方案階段的仿真分析及飛控系統(tǒng)特性的后續(xù)仿真分析。

[1]王占林．液壓伺服控制[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1987：96-97．

[2]施繼增．飛行操縱與增強系統(tǒng)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2003：166-194．

[3]胡壽松．自動控制原理[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1994：391-392．

[4]解思適．飛機設(shè)計手冊 第9冊：載荷、強度和剛度[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2001：1218-1233.