一體化數(shù)字液壓作動系統(tǒng)的建模仿真和控制

齊海濤

(北京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心，北京100191)

付永領(lǐng) 祁曉野

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191)

傳統(tǒng)的液壓作動系統(tǒng)一般采用中央恒壓液壓源供油、伺服閥控制液壓缸的形式，液壓源與伺服閥之間通過液壓管路連接，以傳遞能量［1］.該型作動系統(tǒng)雖然具有很好的動態(tài)性能，但無法避免溢流損失造成的系統(tǒng)效率低、發(fā)熱量大的問題;且采用管路連接，易產(chǎn)生振動噪聲;同時伺服閥的抗污染能力也比較差，這大大降低了系統(tǒng)的可靠性［2］.隨著目前機(jī)電液控集成技術(shù)、數(shù)字液壓技術(shù)、控制手段和方法及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液壓作動系統(tǒng)正朝著一體化、小型化、智能化、高效率、高可靠性和低噪聲的方向發(fā)展［3］.各種新型的作動系統(tǒng)，如電動靜液作動器(EHA，Electro-Hydrostatic Actuator)、電備份液壓作動器(EBHA，Electric Back-up Hydraulic Actuator)、集成電液作動器(IAP，Integrated Actuator Package)、電液復(fù)合作動器、閥泵協(xié)調(diào)控制作動器和電機(jī)-泵-閥聯(lián)合控制作動器等，也隨之出現(xiàn)［4－6］.上述各種新型的作動系統(tǒng)各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，本文將數(shù)字液壓技術(shù)和泵源控制技術(shù)相結(jié)合，基于數(shù)字缸［7－8］和電液泵［9－11］提出了一種新型的一體化數(shù)字液壓作動系統(tǒng)(IDA，Integrated Digital hydraulic Actuation system).基于 AMESim［12－13］建立了其數(shù)字化模型，并與傳統(tǒng)的采用集中液壓源(恒壓定量泵)供油和伺服閥控制伺服油缸的作動系統(tǒng)進(jìn)行了仿真對比分析，指出了一體化數(shù)字液壓作動系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn).

1 系統(tǒng)組成和工作原理

圖1所示為所設(shè)計的一體化數(shù)字液壓作動系統(tǒng)，主要由封閉式油箱、液位計、溫度計、熱交換器、電液泵、高壓過濾器、單向閥、壓力表、壓力傳感器、蓄能器、數(shù)字缸、溢流閥、回油過濾器和控制器組成.其中，電液泵5為電機(jī)與泵真正合二為一融合設(shè)計的泵源，省去了電機(jī)與泵之間的機(jī)械聯(lián)結(jié)，具有體積小、噪音低、振動小、散熱好等優(yōu)點(diǎn);數(shù)字缸11為由電脈沖信號控制位置、速度和方向的液壓缸，只要接通電源和油源，就能完成各種液壓控制要求.

圖1 一體化數(shù)字液壓作動系統(tǒng)工作原理圖

一體化數(shù)字液壓作動系統(tǒng)的工作原理如下:電液泵5用于將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，給系統(tǒng)供油;數(shù)字缸11用于將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，伺服輸出系統(tǒng)位移;給定的位置指令信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換直接控制數(shù)字缸的位移輸出，為開環(huán)控制，簡單實(shí)用;控制器接收給定的恒壓力指令信號和壓力傳感器9反饋回來的供油壓力信號，用于控制電液泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制供油壓力恒定的目的.由于作動系統(tǒng)是一種間歇式的動力設(shè)備，當(dāng)停止動作時，供油量需求幾乎為零;當(dāng)滿行程動作時，需要最大的供油量，可見其工作與油源的供油量有著密切的關(guān)系.傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)采用的是恒壓定量泵的形式，當(dāng)作動器不動作時，卸荷溢流閥會繼續(xù)產(chǎn)生溢流，損失很大的能量，同時帶來了發(fā)熱的問題.而通過控制電液泵的轉(zhuǎn)速，可以在保證供油壓力的情況下匹配負(fù)載所需的流量，達(dá)到不動作時不輸出流量的目的，減小液壓系統(tǒng)的溢流損失，同時也減小了發(fā)熱，提高了效率.單向閥7用于防止停泵回油;蓄能器10用于吸收電液泵出口液壓油的壓力脈動;高壓過濾器6和回油過濾器13用于清除液壓油中的雜質(zhì);熱交換器4用于控制油溫;液位計2、溫度計3和壓力表8用于安全警示.

此外，該液壓作動系統(tǒng)采用集成一體化設(shè)計，取消了傳統(tǒng)的泵源與作動器之間的連接管路，從而大大減小了整個系統(tǒng)的體積和重量.

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 電 液 泵

采用AMESim構(gòu)建的電液泵模型如圖2所示，圖中的elect03［LAG1］為信號控制庫中的一階慣性環(huán)節(jié)模型，用于仿真電液泵的動態(tài)特性;pmover01［PMV00］為機(jī)械庫中的調(diào)速電機(jī)模型，用于仿真電液泵中電機(jī)部分的特性;pump01［PU001］為液壓庫中的單向定量泵模型，用于仿真電液泵中液壓泵部分的特性.

圖2 電液泵模型

2.2 數(shù) 字 缸

所采用的數(shù)字缸為雙級螺旋內(nèi)反饋式，其中的步進(jìn)電機(jī)接收數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)動帶螺紋閥芯的同時控制閥口接通液壓缸，活塞桿在液壓油的推動下移動，在運(yùn)動過程中通過中空活塞桿上的撥銷撥動第1級大導(dǎo)程槽形螺旋桿、再帶動第2級螺母套反饋到控制閥芯上，由于第1級大導(dǎo)程槽形螺旋桿的放大作用，在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不高的情況下，實(shí)現(xiàn)了油缸的高速運(yùn)動和位置跟蹤，從而真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字缸的高速高精度全程數(shù)字傳動與控制.

在AMESim中構(gòu)建的數(shù)字缸簡化模型如圖3所示，圖中的actuatormass01［HJ000］為液壓庫中的考慮質(zhì)量特性的雙作用單出桿液壓缸模型，用于仿真數(shù)字缸中液壓缸的特性;hsv_3pos4port_01［HSV34_01］為液壓庫中的3位4通閥模型，用于仿真數(shù)字缸中數(shù)字閥的液壓特性;機(jī)械庫中的位移傳感器模型displacementsensor［DT000］和信號控制庫中的增益模型elect01_1［GA00］，elect01_2［GA00］以及相加點(diǎn)模型control01［JUN3M］組成閉環(huán)反饋，用于仿真數(shù)字缸的機(jī)械反饋特性.

圖3 數(shù)字缸模型

2.3 系統(tǒng)模型

其他液壓輔件直接采用AMESim液壓庫中的標(biāo)準(zhǔn)模型，搭建完成的一體化數(shù)字液壓作動系統(tǒng)的整體模型如圖4所示.

圖4 整個系統(tǒng)的模型

3 仿真分析

為了對比分析IDA和傳統(tǒng)的閥控液壓作動器(SHA，Servo valve controlled Hydraulic Actuator)兩種不同類型液壓作動器的響應(yīng)情況，根據(jù)實(shí)際操舵經(jīng)驗，給定如圖5所示的操舵給定信號.仿真參數(shù)如表1所示.

表1 仿真參數(shù)

圖5所示為兩種不同類型液壓作動器的輸出位移響應(yīng)情況.可見，不管是傳統(tǒng)的閥控液壓作動器還是一體化數(shù)字液壓作動器都能夠跟蹤給定的位移信號，但就跟蹤效果而言，傳統(tǒng)的閥控液壓作動器要優(yōu)于一體化數(shù)字液壓作動器.

圖5 位移曲線

圖6所示為兩種不同類型液壓作動器中溢流閥的輸出流量情況.可見，采用一體化數(shù)字液壓作動器較傳統(tǒng)的閥控液壓作動器中溢流閥的輸出流量明顯減少，特別是當(dāng)系統(tǒng)給定信號為零時，能夠大大減少閥的溢流，這不僅能夠大大降低系統(tǒng)的噪聲，同時還能大大減少系統(tǒng)的發(fā)熱.這也是一體化數(shù)字液壓作動器最大的優(yōu)勢所在.

圖6 溢流閥輸出流量曲線

圖7所示為兩種不同類型液壓作動器中電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況.可見，傳統(tǒng)的閥控液壓作動器中電機(jī)一直恒速旋轉(zhuǎn)，不夠節(jié)能;而一體化數(shù)字液壓作動器中的電機(jī)將匹配給定信號進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以大大降低噪聲，節(jié)約能源，減少發(fā)熱.

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖8所示為兩種不同類型液壓作動器的輸出速度情況.可見，傳統(tǒng)的閥控液壓作動器的輸出速度要快于一體化數(shù)字液壓作動器，響應(yīng)更快.

圖9所示為兩種不同類型液壓作動器的流量情況.可見，傳統(tǒng)的閥控液壓作動器的流量要大于一體化數(shù)字液壓作動器，因此其響應(yīng)更快.

圖8 作動器輸出速度曲線

圖9 作動器流量曲線

圖10所示為兩種不同類型液壓作動器中控制閥的開口情況.可見，傳統(tǒng)的閥控液壓作動器中伺服閥的開口要大于一體化數(shù)字液壓作動器中數(shù)字閥的開口，原因在于傳統(tǒng)的閥控液壓作動器采用閉環(huán)控制，其伺服閥的開口取決于控制器的輸出，而一體化數(shù)字液壓作動器采用開環(huán)控制，其數(shù)字閥的開口取決于給定信號與輸出位移的差值.

圖10 控制閥的開口曲線

4 結(jié)論

1)所設(shè)計的一體化數(shù)字液壓作動器原理正確，能夠滿足作動要求;

2)一體化數(shù)字液壓作動器的優(yōu)勢在于可以降低系統(tǒng)噪聲，減小系統(tǒng)發(fā)熱，更好地節(jié)約能源;

3)一體化數(shù)字液壓作動器較傳統(tǒng)的閥控液壓作動器響應(yīng)慢.

References)

［1］王占林，李培滋.飛機(jī)液壓傳動與伺服控制［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1980 Wang Zhanlin，Li Peizi.Aircraft hydraulic power transmission and servo control［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1980(in Chinese)

［2］王占林.近代電氣液壓伺服控制［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005 Wang Zhanlin.Modern electric hydraulic servo control［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2005(in Chinese)

［3］王占林，陳斌.未來飛機(jī)液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)［J］.中國工程科學(xué)，1999，1(3):5 －10 Wang Zhanlin，Chen Bin.Characters of future aircraft hydraulic system［J］.Engineering Science，1999，1(3):5 － 10(in Chinese)

［4］Botten S L，Whitley C R，King A D.Flight control actuation technology for next generation all-electric aircraft［J］.Technology Review Journal-Millennium Issue，2000:55 －68

［5］祁曉野，付永領(lǐng)，王占林.功率電傳機(jī)載作動系統(tǒng)方案分析［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，1999，25(4):426 －430 Qi Xiaoye，F(xiàn)u Yongling，Wang Zhanlin.Scheme analysis of power-by-wire airborne actuator systems［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，1999，25(4):426 －430(in Chinese)

［6］Charrier J J，Kulshreshtha A.Electric actuation for flight＆ engine control system:evolution，current trends＆ future challenges［C］//Proceedings of the 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno，Nevada:American Institute of Aeronautics and Astronautics，2007:1 －20

［7］Victory Controls LLC.Digital hydraulic linear positioner［EB/OL］.Bristol:Victory Controls LLC，2005［2005-06-12］.http://www.victorycontrols.com/DSSC.pdf

［8］楊世祥.一種雙級螺旋內(nèi)反饋數(shù)字流體缸:中國，200410069392.3［P］.2007-10-10 Yang Shixiang.A kind of digital fluid cylinder with a two-stage helical internal feedback:China，200410069392.3［P］.2007-10-10(in Chinese)

［9］Claar L M，Hodges R C.Integrated electric motor driven in line hydraulic pump:United States，5708311［P］.1998-01-13

［10］Voith Turbo GmbH ＆ Co.KG.Voith motor/pump hybrid systems-type EPAI［EB/OL］.Indianapolis，Indiana:Progressive Power＆ Control，2013［2013-01-30］.http://www.progressivepower.net/v-voith-turbo.htm

［11］付永領(lǐng)，李祝鋒，安高成，等.電液泵發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)綜述［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(1):143 －149，160 Fu Yongling，Li Zhufeng，An Gaocheng，et al.State of the art and core techniques of edropump［J］.Machine Tool＆ Hydraulics，2012，40(1):143 －149，160(in Chinese)

［12］付永領(lǐng)，祁曉野.LMS Imagine Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011 Fu Yongling，Qi Xiaoye.LMS Imagine Lab AMESim system modeling and simulation reference［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2011(in Chinese)

［13］付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011 Fu Yongling，Qi Haitao.LMS Imagine Lab AMESim system modeling and simulation tutorial［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2011(in Chinese)