某型飛機(jī)前襟伺服閥電流環(huán)回路仿真分析

郭 丹 ，鄒 慶 ，萬民天 ，江建東

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024；2.空裝上海局駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024）

0 引言

前襟驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的輔助操縱系統(tǒng)，用于改善氣流在機(jī)翼前緣的流場，提高氣流在機(jī)翼前緣分離的迎角，改善飛機(jī)大迎角升力特性。前緣襟翼的偏度也能按給定的控制律自動(dòng)地隨飛機(jī)迎角和飛行馬赫數(shù)的變化而變化，具備改善飛機(jī)性能或操縱品質(zhì)的功能。

某型教練機(jī)在飛行控制系統(tǒng)地面上電或退出PBIT進(jìn)入實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，出現(xiàn)多架次前襟伺服機(jī)構(gòu)振動(dòng)故障。通過故障定位及分析，確定引起系統(tǒng)振動(dòng)的原因?yàn)榍敖笏欧y電流環(huán)回路振蕩。本文利用AMESim軟件建立了前襟伺服閥電流環(huán)回路的模型，并對(duì)模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證；利用Matlab軟件對(duì)伺服閥電流環(huán)回路進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析前襟伺服閥電流環(huán)回路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1 建模分析

某型教練機(jī)前緣襟翼由四塊組成，左右各兩塊。每塊前襟均由伺服控制板（集成在飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)）、前襟伺服機(jī)構(gòu)、作動(dòng)筒及集成在作動(dòng)筒內(nèi)的位置傳感器組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制。系統(tǒng)接受控制律計(jì)算輸出的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)前襟舵面偏轉(zhuǎn)。集成在作動(dòng)筒上的前襟位置傳感器將舵面位置反饋給伺服控制板，實(shí)現(xiàn)前襟系統(tǒng)閉環(huán)控制。

前襟伺服控制回路采用經(jīng)典控制回路，僅設(shè)置了前向增益環(huán)節(jié)，該控制方式在各型號(hào)飛機(jī)中廣泛采用，具有良好的穩(wěn)定性，如圖1所示。藍(lán)框內(nèi)為前襟伺服電子框圖，它將來自計(jì)算機(jī)的控制指令與前襟作動(dòng)器位置反饋相綜合，經(jīng)放大、限幅后，通過伺服閥驅(qū)動(dòng)電路（紅圈），將電壓信號(hào)按照1mA/V的等比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服閥工作。

圖1 前襟伺服控制回路框圖

2 仿真分析

2.1 問題描述

某型高級(jí)教練機(jī)在飛行控制系統(tǒng)地面上電或退出PBIT進(jìn)入實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，前襟伺服機(jī)構(gòu)出現(xiàn)高頻振動(dòng)。對(duì)飛控系統(tǒng)上電和退出PBIT進(jìn)入實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)的指令狀態(tài)進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)故障誘因?yàn)椋合到y(tǒng)上電時(shí)，伺服板的指令信號(hào)為10V的階躍信號(hào)；退出PBIT轉(zhuǎn)入實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，伺服控制板的指令信號(hào)為-10V～0～-10V（時(shí)長145ms）的脈沖信號(hào)，信號(hào)曲線如圖2所示。

圖2 PBIT轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)任務(wù)脈沖信號(hào)

因此，在進(jìn)行仿真分析時(shí)，將系統(tǒng)輸入信號(hào)模擬為相應(yīng)的階躍信號(hào)。

2.2 前襟伺服回路動(dòng)態(tài)特性分析

對(duì)前襟伺服回路進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真，系統(tǒng)頻帶約為9Hz，滿足≥4Hz的要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

2.3 一階伺服閥電流環(huán)動(dòng)態(tài)特性分析

根據(jù)伺服閥的特性參數(shù)，在輸出級(jí)接阻抗為350Ω、感抗為2H的仿真負(fù)載，對(duì)整個(gè)伺服閥電流環(huán)進(jìn)行掃頻仿真。

從圖3、圖4可以看出，在接入伺服閥負(fù)載環(huán)節(jié)后，伺服閥電流環(huán)的動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化，幅頻特性的截止頻率為190Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于伺服機(jī)構(gòu)實(shí)際要求的工作頻帶（60Hz～100Hz），而且在 50Hz～140Hz內(nèi)幅頻出現(xiàn)了超調(diào)，穩(wěn)定性相對(duì)變差，增大了激發(fā)伺服閥振蕩的可能性。

圖3 伺服閥電流環(huán)帶負(fù)載幅頻結(jié)果

圖4 伺服閥電流環(huán)帶負(fù)載相頻結(jié)果

對(duì)接入一階環(huán)節(jié)閥模型負(fù)載的伺服電子模型施加階躍信號(hào)觀測(cè)伺服閥電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，觀測(cè)其穩(wěn)定性。

從圖5仿真波形可以看出，盡管接入一階環(huán)節(jié)伺服閥模型后的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性相對(duì)變差，但對(duì)大幅值階躍指令輸入的電流環(huán)特性是穩(wěn)定的，不會(huì)導(dǎo)致伺服閥電流環(huán)振蕩。

圖5 伺服閥電路階躍響應(yīng)仿真圖

通過試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：斷開伺服電子的前級(jí)輸入，直接給伺服閥施加階躍信號(hào)，出現(xiàn)振動(dòng)的伺服閥有10%左右的超調(diào)，而正常的伺服閥基本無超調(diào)或超調(diào)很小。如果伺服閥模型僅是電阻和電感串聯(lián)的一階環(huán)節(jié)，是不會(huì)存在超調(diào)的，因此振動(dòng)的伺服閥模型實(shí)為二階環(huán)節(jié)。

2.4 二階伺服閥電流環(huán)回路動(dòng)態(tài)特性分析

前襟伺服閥電流環(huán)回路由前襟控制板上的電流環(huán)回路和伺服機(jī)構(gòu)組成，前襟伺服閥電流環(huán)回路對(duì)控制指令與位置反饋綜合，將其差值信號(hào)放大，按1mA/V的等比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)中的伺服閥工作，伺服閥線圈電流的采樣電壓作為反饋構(gòu)成伺服閥電流環(huán)。

為了盡可能真實(shí)地模擬前襟伺服機(jī)構(gòu)的物理特性，按實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)建立伺服閥電流環(huán)回路AMESim模型（見圖6），進(jìn)行時(shí)域仿真，仿真曲線如圖7所示，其中階躍信號(hào)為指令信號(hào)，振蕩信號(hào)為相應(yīng)曲線。

從仿真曲線可知，在大幅值階躍指令作用下，伺服閥電流環(huán)回路發(fā)生了振蕩，振蕩頻率為100Hz左右，這與發(fā)生振動(dòng)時(shí)的實(shí)測(cè)信號(hào)頻率基本一致，與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖6 伺服閥電流環(huán)回路AMESim仿真模型

圖7 時(shí)域響應(yīng)曲線

將伺服閥的模型等效成電阻、電感和電容的組合，伺服閥電流環(huán)回路的控制框圖如圖8所示。

圖8 伺服閥電流環(huán)控制框圖

對(duì)伺服閥電流環(huán)回路進(jìn)行Matlab動(dòng)態(tài)特性仿真，從開環(huán)相應(yīng)波特圖（見圖9）可知，前襟伺服閥電流環(huán)回路的幅值穩(wěn)定裕度約為158dB，相位穩(wěn)定裕度約為18.3°，伺服閥電流環(huán)回路的相位裕度較小，穩(wěn)定性較弱，容易產(chǎn)生振蕩。

圖9 伺服閥電流環(huán)回路開環(huán)相應(yīng)波特圖

2.5 二階伺服閥電流環(huán)回路優(yōu)化

前襟伺服回路的頻帶為4Hz左右，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將前襟伺服閥電流環(huán)的截止頻率約束為120Hz，根據(jù)此參數(shù)和伺服閥線圈參數(shù)，按照相關(guān)的設(shè)計(jì)公式，對(duì)伺服閥電流環(huán)回路中的電容進(jìn)行參數(shù)更改，將其擴(kuò)大15倍。對(duì)更改參數(shù)后的伺服閥電流環(huán)進(jìn)行穩(wěn)定性仿真分析，更改后的相位裕度為60°（見圖10），穩(wěn)定性顯著提高。

圖10 優(yōu)化后伺服閥電流環(huán)穩(wěn)定分析

對(duì)更改參數(shù)后的前襟系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性仿真分析，伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度為76.2°（見圖11），滿足系統(tǒng)穩(wěn)定裕度要求。

3 結(jié)語

某型教練機(jī)在飛行控制系統(tǒng)地面上電或退出PBIT進(jìn)入實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，出現(xiàn)多架次前襟伺服機(jī)構(gòu)振動(dòng)故障。經(jīng)過AMESim和Matlab建模仿真分析，前襟伺服系統(tǒng)是穩(wěn)定的。而振動(dòng)的伺服機(jī)構(gòu)模型實(shí)為二階環(huán)節(jié)，前襟伺服閥電流環(huán)回路的振蕩會(huì)引起伺服機(jī)構(gòu)振動(dòng)。通過更改前襟系統(tǒng)伺服閥電流環(huán)回路參數(shù)，可以提高回路的穩(wěn)定裕度，有效抑制振動(dòng)的產(chǎn)生，且保證系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)滿足要求。

圖11 優(yōu)化后伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度