一種電液負載模擬器多余力的結構補償方法

趙書尚，孫淑瑞，李閣強

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

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一種電液負載模擬器多余力的結構補償方法

趙書尚，孫淑瑞，李閣強

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

電液負載模擬器屬于典型的被動式電液力伺服系統。為抑制和消除系統內固有的強多余力干擾，本文突破傳統的從干擾補償的角度消除多余力的方法，建立位置系統和加載系統耦合在一起的單輸入雙輸出系統數學模型，分析研究被動式電液力伺服系統的力/位耦合機理并以結構解耦為出發點，提出一種采用復式結構伺服馬達進行同步結構解耦的加載新原理，以此來消除系統中的多余力。仿真結果表明：此方法可以有效地消除小梯度加載時負載模擬器的多余力。

被動式；電液負載模擬器；復式結構伺服馬達；結構補償

0 引言

在早期飛行器研制過程中，往往需要多次進行具有自破壞性的全實物現場試驗，這種試驗不僅不具備可控性且難以得到準確完整的試驗數據。為克服全實物現場試驗的缺陷，電液負載模擬器應運而生，它可以用于實驗室條件下半實物地模擬承載系統所受載荷，對承載系統進行載荷性能測試以保證產品性能，具有良好可控性及低破壞性，且試驗可以多次重復，方便記錄，多組數據可進行對比分析[1]。

然而，電液負載模擬器系統內存在固有的強多余力干擾，它的存在降低了電液負載模擬器的頻響與精度[2]，為提高電液負載器性能，如何消除多余力干擾成為國內外眾多學者研究的關鍵問題。目前，消除多余力的方法主要分為控制補償與結構補償兩類：控制補償方法調節比較方便，如神經網絡控制方法[3]、混合靈敏度控制方法[4]等；結構補償方法[5]不易受外界因素影響，抗干擾能力強，如雙閥流量補償方案、同步反向補償方案[6]等。本質上，以上方法均是將負載模擬器的多余力看作是一種干擾，從干擾補償的角度出發抑制和消除多余力。本文將多余力視為電液負載模擬器加載模塊與被加載模塊之間的力/位耦合，從如何解除耦合出發，提出一種基于復式伺服馬達的同步結構解耦方法，并利用AMEsim建立模型并仿真，基于仿真結果證實此種方法的合理性及有效性。

1 負載模擬器數學模型

1.加載馬達；2.扭矩傳感器；3.剛性連接軸;4.承載馬達;5.角位移傳感器；6.承載系統伺服閥;7.數據采集卡;8.加載系統伺服閥;9.計算機。

1.1 負載模擬器工作原理

圖1為負載模擬器的運行原理圖[7]。由加載馬達、加載系統伺服閥、扭矩傳感器構成了負載模擬器的加載模塊，承載馬達、承載系統伺服閥、角位移傳感器構成了負載模擬器承載模塊。加載模塊接收力矩信號，承載模塊接收角位移信號，兩個模塊分別通過相應的傳感器實現閉環反饋。

1.2 負載模擬器數學模型

將負載模擬器的加載模塊與加載對象模塊均看作閥控馬達系統，應用傳統假設[8]，將加載馬達與被加載馬達的結構參數看作一樣，從而得出加載模塊、承載模塊及整個負載模擬器的方塊圖。

1.2.1 加載模塊方塊圖

將整個加載對象模塊看作是加載模塊外部的等效負載。在不考慮非線性和油液質量影響的前提下，閥的線性化方程、加載馬達的流量連續性方程以及力矩的平衡方程分別見式(1)～式(3)。

(1)

QL=KqXv-KcPL；

(2)

T=PLDm=Jms2θm+Bmsθm+G(θm-θ1)，

(3)

式中：QL為加載伺服閥的負載流量，m3/s；Kq為加載伺服閥的流量增益，m2/s；Xv為加載模塊伺服閥的閥芯開口量，m；Kc為加載模塊伺服閥流量-壓力系數，m5/(N·s)；PL為加載馬達腔的負載壓力，N/m2；Dm為加載馬達的理論排量，m3/rad；θm為加載馬達角位移，rad；Ctm為加載馬達總泄漏系數，m5/(N·s)；Vm為加載馬達腔和連接管道的總容積，m3；βe為有效容積彈性模量，N/m2；T為扭矩傳感器輸出力矩，N·m；Jm為加載馬達轉動慣量，kg·m2；Bm為加載馬達黏性阻尼系數，N·ms/rad；s為復頻率；G為連接軸扭轉剛度，N·m/rad；θ1為承載系統角位移，rad。

一般情況下，伺服閥的傳遞函數可以簡化為二階振蕩環節。故加載模塊的伺服閥傳遞函數可表示為式(4)。同時，將伺服放大器、扭矩傳感器看做比例環節，分別列出式(5)和式(6)。

(4)

(5)

(6)

式中：Q為伺服閥輸出流量，m3/s；I為伺服閥的輸入電流，A；Ka為控制器增益，A/V；Ksv為伺服閥流量增益，m3/(s·A)；ωsv為伺服閥的固有頻率，rad/s；εsv為伺服閥阻尼因數；Kf為扭矩傳感器轉換系數，V/(N·m)；U為扭矩傳感器的輸出電壓，V；T為扭矩傳感器輸出力矩，N·m。

經整理，得到加載模塊的方塊圖，如圖2所示。圖2中，Kce為加載模塊總流量-壓力系數；Tr為指令力矩信號。

圖2 加載模塊方塊圖

1.2.2 承載模塊方塊圖

承載模塊是一個電液位置伺服模塊，它的3個基本方程以及伺服閥、伺服放大器傳遞函數與加載模塊一致，見式(1)～式(5)，各個參數物理意義相同，以下用下標為1的參數表示對應的承載模塊參數。把角位移傳感器當作比例環節，其傳遞函數見式(7)。經整理得到承載模塊的方塊圖，如圖3所示。圖3中，θr為指令角位移信號。

(7)

其中：Kb為角位移傳感器轉換系數，V/rad；U為角位移傳感器輸出電壓，V；θf為角位移傳感器測得的角度，rad;推導過程不再詳述。

1.2.3 負載模擬器系統方塊圖

加載模塊方塊圖與承載模塊方塊圖表征了負載模擬器力/位耦合機理。加載模塊輸出力矩由兩方面決定：其一是加載模塊的給定加載力矩；其二是由承載模塊馬達角位移引起的耦合力矩。與此同時，承載模塊輸出角位移也由兩部分構成：其一為承載模塊的給定角位移；其二為加載模塊輸出力矩引起的耦合角位移。承載與加載模塊之間相互影響，引起了強的力/位耦合。

圖3 承載模塊方塊圖

2 采用復式伺服馬達的結構解耦方法

2.1 采用復式伺服馬達作為加載裝置的負載模擬器運行原理

1.角位移傳感器;2.復式伺服馬達;3.扭矩傳感器;4.連接軸;5.承載馬達;6.角位移傳感器;7.承載系統伺服閥;8.加載系統伺服閥;9.計算機;10.數據采集卡。

采用復式伺服馬達作為加載裝置的系統工作原理圖[9]如圖4所示。圖4中，2為復式伺服馬達，為表達清晰，將復式伺服馬達拆為兩個部分，左側為同步馬達，右側為加載馬達，實際馬達采用復合結構，同步馬達與加載馬達嵌套在一起，為一個馬達，稱為復式伺服馬達；其他組成部分的意義與圖1相同。

2.2 采用復式伺服馬達進行同步結構解耦的原理

加載馬達轉子的一端與承載馬達轉子伸出軸剛性連接。位于承載馬達上的角位移傳感器記錄承載馬達的轉角位移，與此同時，同步馬達轉子上也安裝有角位移傳感器記錄其馬達轉角位移，通過信號線將角度信號引入控制器，使承載馬達轉角位移與同步馬達轉角位移相等。如此，則承載馬達與同步馬達處于相對靜止，這時候加載馬達給承載馬達加載力或者力矩就變成了主動加載。從系統方塊圖(見圖4)分析結果上看：承載系統角位移引起了加載系統的耦合力(矩)，若兩者相對靜止，則相當于沒有承載系統角位移引起的耦合力(矩)，從而達到了解耦的目的。因此，加載模塊同步馬達與承載模塊承載馬達的同步程度直接影響耦合的解除程度。

3 采用復式伺服馬達同步解耦方法的AMESim仿真分析

利用AMEsim中的cam phaser chambers(凸輪相位器室)來模擬馬達、液壓孔模擬馬達的內泄，回路中引入反饋信號，保證復式伺服馬達中的同步馬達與承載模塊中的承載馬達實現同步運動。由于小梯度加載是被動式電液力伺服系統的難點，本文將以小梯度加載為研究對象，分析采用復式伺服馬達作為加載裝置是否可以有效消除負載模擬器的力/位耦合。

取加載梯度為4 N·m/(°)，連接軸剛度4 N·m/(°)，對負載模擬器施加不同頻率的角位移信號，在3 Hz、15 Hz頻率下，承載模塊和加載模塊的響應曲線見圖5。為更清楚地區分各個曲線，使用相同的橫坐標、不同的縱坐標。角位移響應曲線圖中，指令曲線對應A縱坐標，承載馬達響應對應B縱坐標，同步馬達響應對應C縱坐標；力矩響應曲線圖中，指令曲線對應A縱坐標，輸出力矩響應對應B縱坐標。圖5a和圖5b分別表示在3 Hz頻率下的角位移與力矩響應。由圖5a和圖5b可以看出：加載模塊同步馬達與承載模塊承載馬達同步性很好，幅值幾乎相同，相位滯后很小，解耦很徹底，力矩曲線跟隨很好。圖5c和圖5d分別表示在15 Hz頻率下的角位移和力矩響應。由圖5c和圖5d可以看出：加載模塊同步馬達與承載模塊承載馬達之間略有不同步，因此力矩曲線跟隨略差。綜上所述，低頻段采用復式同步伺服馬達能夠有效地解除負載模擬器的力/位耦合。加載模塊的跟蹤性能隨給定信號頻率的增加略有下降，這與未加入任何算法進行精密控制，僅依靠自身反饋有關。但是在15 Hz頻率下仍能保證幅值的衰減在10%以內，相位的滯后在10°以內，是滿足“雙十”指標的。

圖5 角位移與力矩響應曲線圖

4 結論

將負載模擬器看作是單輸入雙輸出的伺服系統建立了數學模型，分析了負載模擬器力/位耦合機理，即：加載模塊的輸出力矩受承載模塊角位移影響，與此同時，承載模塊角位移又受加載模塊輸出力矩的影響，兩者相互影響，相互作用。為解除耦合，提出了一種基于復式伺服馬達進行同步結構解耦的方法，小梯度加載下的仿真分析結果表明使用該方法可以有效地解除耦合。

[1] 李閣強,李水聰,黃飛.閥控非對稱缸被動式電液力伺服系統的解耦控制研究[J].機床與液壓,2013,41(1):7-10.

[2] 李閣強.電液負載模擬器關鍵技術的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006.

[3] 王燕山,李運華,王益群.基于Adaline神經網絡負載模擬器的研究[J].機床與液壓,2008,36(3):129-130.

[4] 王經甫,葉正茂,張輝,等.基于LMI的H∞控制在電液負載模擬器中的應用[J].機床與液壓,2007,35(5):169-171.

[5] 邵俊鵬,李建英,王仲文,等.電液負載模擬器多余力抑制的結構控制補償[J].電機與控制學報,2009,13(4):587-591.

[6] 鄧大志.飛行器舵機被動式加載系統多余力矩抑制方法研究[D].廣州:廣東工業大學,2009.

[7] 張彪.電液負載模擬器多余力矩抑制及其反步自適應控制研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2009.

[8] 李洪人.液壓控制系統[M].北京:國防工業出版社,1990.

[9] 楊紅艷.被動式電液力伺服系統的同步解耦控制研究[D].洛陽:河南科技大學,2013.

國家自然科學基金項目(51175148)

趙書尚(1969-),男,山東青島人,副教授,碩士,主要從事測控系統設計、機電控制技術方面的研究.

2014-12-31

1672-6871(2015)04-0023-04

TH137

A