主飛控液壓作動(dòng)器位置伺服系統(tǒng)研制

張熙，李沁程，許浩

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0 引言

隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，加之航空航天技術(shù)是衡量國(guó)家整體軍事實(shí)力的重要因素之一[1]，為提升飛行安全性，對(duì)航材檢測(cè)和維修提出了更高的要求，加之智能技術(shù)和電液伺服控制技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和提升。當(dāng)前采用電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，具有控制穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、抗負(fù)載能力強(qiáng)及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)[2]。故提出主飛控液壓作動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)研制此試驗(yàn)臺(tái)主要功能是對(duì)作動(dòng)器中的副翼、升降舵、方向舵以及擾流板作動(dòng)器進(jìn)行性能檢測(cè)，采用自動(dòng)化手段來對(duì)航材器件進(jìn)行檢測(cè)，以提升我國(guó)在航空航天領(lǐng)域的高端技術(shù)水平。在主飛控液壓作動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)制造過程中，系統(tǒng)的關(guān)鍵難點(diǎn)部分在于伺服加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

液壓伺服系統(tǒng)（又稱隨動(dòng)系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)）是以液壓動(dòng)力元件作驅(qū)動(dòng)裝置所組成的反饋控制系統(tǒng)。液壓伺服系統(tǒng)除具有液壓傳動(dòng)的所有優(yōu)點(diǎn)外，還具有響應(yīng)速度快、抗負(fù)荷剛性大、控制精度高等顯著特點(diǎn)，所以在諸多領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用[3]。主飛控液壓作動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)中的伺服系統(tǒng)主要采用電液伺服閥、傳感器并結(jié)合PLC技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中模擬飛行器舵機(jī)所受的空氣氣動(dòng)力等載荷，完成對(duì)飛行控制器的加載控制。

1 系統(tǒng)組成

主飛控液壓作動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)需要對(duì)飛控作動(dòng)器進(jìn)行氣動(dòng)力模擬，檢測(cè)飛控作動(dòng)器在工作過程中的性能參數(shù)。伺服控制系統(tǒng)作為該試驗(yàn)臺(tái)的一個(gè)重要子部分，主要用于模擬飛機(jī)滑出、起飛、飛行、著陸、滑入全過程的載荷情況，驗(yàn)證正常工作中作動(dòng)器的工作情況。伺服加載系統(tǒng)能提供試驗(yàn)所需加載力為40KN的加載工裝、0-200mm位移以及最大位移速度508mm/s。

主飛控作動(dòng)器伺服加載系統(tǒng)框圖如圖1所示，由測(cè)控子系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)子系統(tǒng)和加載機(jī)構(gòu)等組成。

圖1 液壓加載系統(tǒng)框圖

其中測(cè)控子系統(tǒng)采用上、下位機(jī)控制架構(gòu)，工控機(jī)采用華研工控機(jī)，通過組態(tài)軟件與PLC通訊實(shí)現(xiàn)控制，PLC作為下位機(jī)直接與主體設(shè)備和測(cè)量元件進(jìn)行信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)集與控制，PLC擴(kuò)展模塊是加載系統(tǒng)的核心控制單元。

液壓測(cè)試系統(tǒng)的主要功能是對(duì)泵站提供的液壓源進(jìn)行壓力、流量控制，以滿足作動(dòng)器的功能和性能測(cè)試。液壓系統(tǒng)包含電動(dòng)球閥、供油過濾器、回油過濾器、減壓閥、比例減壓閥、比例節(jié)流閥、蓄能器、針閥、球閥、氣動(dòng)增壓閥、電磁換向閥、單向閥、背壓閥、邏輯閥、流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器液壓管路以及安裝附件等組成。

2 位置伺服系統(tǒng)加載原理

加載平臺(tái)采用碳鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，相關(guān)連接支架及零部件采用304不銹鋼，運(yùn)動(dòng)部件連接有重型直線導(dǎo)軌，下方通過加載作動(dòng)器對(duì)被測(cè)件進(jìn)行力加載，運(yùn)動(dòng)部件連接有位移/速度傳感器，被測(cè)件和工裝夾具可以實(shí)現(xiàn)快速連接和斷開。加載平臺(tái)如圖2所示。

圖2 加載平臺(tái)

整個(gè)裝置對(duì)加載系統(tǒng)起到一定的保護(hù)作用，防止被測(cè)件撞擊到液壓缸底部。過渡裝置需滿足作動(dòng)器安裝的連接剛度要求，且平行度滿足4級(jí)要求，加載時(shí)，與作動(dòng)器受力的同軸度滿足6級(jí)要求。被測(cè)作動(dòng)器與過渡裝置之間，通過B型開口銷連接，能輕松實(shí)現(xiàn)兩者的連接與斷開。

加載系統(tǒng)用于對(duì)被測(cè)件進(jìn)油、回油進(jìn)行液壓加載，測(cè)量相關(guān)的壓力、流量、溫度等流體參數(shù)，同時(shí)也會(huì)施加外力（拉/壓力）對(duì)被測(cè)件的最大輸出力、位移、速度進(jìn)行檢測(cè)。液壓測(cè)試油路滿足參數(shù)，額定供油壓力（3000±50）psi，回油壓力（60±5）psi，耐壓值5000psi，工作流量0-10gpm。

為實(shí)現(xiàn)精確控制，被測(cè)件拉壓力加載過程中，加載液壓油通過系統(tǒng)液壓油泵供給，經(jīng)過壓力過濾器過濾，采用力傳感器做反饋，再經(jīng)過減壓閥進(jìn)行穩(wěn)壓后，送給伺服閥，伺服閥做控制，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)伺服缸的柱塞行程進(jìn)行控制，最終達(dá)到加載目的。加載系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 加載系統(tǒng)參數(shù)

3 位置伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 液壓子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）液壓缸。為滿足該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載性能要求，加載缸壓力按19MPa設(shè)計(jì)。依據(jù)液壓缸計(jì)算公式[4]：

式中：L表示拉力；F表示推力；P為液壓缸工作腔壓力，單位：MPa；D1為液壓缸缸徑，單位：mm；D2代表液壓缸桿徑，單位：mm。加載系統(tǒng)最大推力為5.9T，最大拉力為4.8T，計(jì)算得缸徑63mm，桿徑28mm，工作行程為300mm的液壓缸滿足條件。伺服加載缸性能參數(shù)如表2所示。

表2 伺服加載缸性能參數(shù)

（2）伺服閥。由于主飛控液壓作動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)對(duì)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，選用的伺服閥需具備快速響應(yīng)特性。計(jì)算過程如下[4]：

液壓馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速：

基于空間外差技術(shù)的大氣高光譜探測(cè)是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，對(duì)該光譜儀所獲取的干涉圖數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜復(fù)原是應(yīng)用的必要環(huán)節(jié).針對(duì)傳統(tǒng)傅里葉變換在空間外差干涉圖光譜復(fù)原中的缺陷，將MUSIC算法應(yīng)用于干涉圖光譜復(fù)原處理.采用CAT準(zhǔn)則對(duì)影響算法譜估計(jì)效果的維數(shù)p進(jìn)行測(cè)試，扣除維數(shù)偏差后，能達(dá)到自適應(yīng)定維且MUSIC算法譜復(fù)原效果良好.測(cè)試結(jié)果表明：采用改進(jìn)CAT準(zhǔn)則定維的MUSIC算法對(duì)空間外差光譜進(jìn)行光譜復(fù)原，提高了信噪比和光譜復(fù)原效果.此外該方法影響參數(shù)少，便于實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)光譜復(fù)原方法相比，MUSIC算法對(duì)于空間外差光譜信號(hào)提取具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì).

式中：Vmax表示工作臺(tái)最大速度。

負(fù)載流量：

式中：Qm表示液壓馬達(dá)排量。根據(jù)被測(cè)件的工作特性，查手冊(cè)可知工作臺(tái)最大速度可選擇508mm/s進(jìn)行計(jì)算選型。

根據(jù)負(fù)載流量和伺服閥負(fù)載壓降，查手冊(cè)得額定流量150L/min的閥門可滿足要求，故伺服閥選用PARKER的D3F3，最大流量150L/min，額定壓力3.5Mpa，無桿腔流量Q1=95L/min，有桿腔流量Q2=76.3L/min。伺服閥參數(shù)如表3所示。

表3 伺服閥性能參數(shù)

（3）液壓管道設(shè)計(jì)?？紤]到試驗(yàn)臺(tái)工藝特點(diǎn)以及流量要求，在伺服加載系統(tǒng)中需對(duì)相關(guān)管路進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

在加載系統(tǒng)中，要對(duì)測(cè)試回路管道內(nèi)徑以及金屬管管子壁厚度進(jìn)行計(jì)算選型，由公式可得：

本系統(tǒng)按照單回路60L/min流量進(jìn)行設(shè)計(jì)。d為管道內(nèi)徑；Qv為系統(tǒng)流量；v為流速，壓力管路6m/s，回油管路1.5-3m/s；P表示系統(tǒng)工作壓力；表示許用應(yīng)力，對(duì)于鋼管，（-抗拉強(qiáng)度MPa，S-安全系數(shù)，P＜7MPa時(shí)，S=8；當(dāng)P≤17.5MPa時(shí)，S=6；當(dāng)P＞17.5MPa時(shí)，S=4）。根據(jù)計(jì)算可得液壓管路各參數(shù)如表4所示。

表4 液壓管路參數(shù)

3.2 伺服加載系統(tǒng)電氣控制

根據(jù)主飛控液壓作動(dòng)器測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，測(cè)試臺(tái)的電氣系統(tǒng)由上位機(jī)顯示平臺(tái)、傳感器信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理、電源給定與檢測(cè)、控制信號(hào)給定、伺服控制回路以及絕緣電阻及搭接電阻測(cè)試等共同組成。

本文僅對(duì)系統(tǒng)的伺服控制回路的電氣回路進(jìn)行介紹。伺服加載控制回路主要由UPS電源、工控機(jī)、PLC可編程控制器及擴(kuò)展模塊、拉壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器等組成，可以完成對(duì)液壓作動(dòng)器的加載控制功能。系統(tǒng)選擇美國(guó)DELTA伺服加載控制器配合電液伺服閥、拉壓力傳感器及位移傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。PLC及其模擬量擴(kuò)展模塊是模擬試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)加載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、濾波、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動(dòng)輸出以及與工控機(jī)進(jìn)行通訊[5]。PLC采用西門子S7-1200可編程控制器及其擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制比例閥、系統(tǒng)傳感器信號(hào)監(jiān)控保護(hù)及相關(guān)閥門控制。

本系統(tǒng)選用NI數(shù)字輸出板卡PCI-6509作為數(shù)字量I/O設(shè)備，該板卡具備96個(gè)數(shù)字通道，工作電壓為5V，可同時(shí)滿足TTL電流控制器件電路和CMOS電壓控制器件電路要求，單通道最大電流24mA。PCI-6509數(shù)字I/O設(shè)備可以直接驅(qū)動(dòng)外部數(shù)字設(shè)備，每個(gè)端口可配置為輸入或輸出，并且輸出不需要外接電源[6]。可編程邏輯控制器上電狀態(tài)功能可讓用戶使用軟件來配置初始輸出狀態(tài)，以確保在連接到工業(yè)執(zhí)行器時(shí)實(shí)現(xiàn)無障礙的安全操作。

西門子S7-1200可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)控制及保護(hù)功能可搭配其模擬量擴(kuò)展模塊及數(shù)字量擴(kuò)展模塊。該控制器的主要功能是控制液壓系統(tǒng)的流量壓力調(diào)節(jié)閥，并對(duì)系統(tǒng)的壓力、溫度、液位、閥門狀態(tài)、油濾堵塞信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，加載過程中若對(duì)應(yīng)信號(hào)超出保護(hù)限定值后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并執(zhí)行預(yù)置的保護(hù)措施，及時(shí)停止加載。

加載回路工作原理：PLC用于對(duì)位移和加載值進(jìn)行控制，操作者通過上位機(jī)操作界面選擇測(cè)試項(xiàng)目，伺服控制回路輸出給定的信號(hào)，控制PLC在加載過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)作動(dòng)器的位移、載荷控制，上位機(jī)采用LABVIEW開發(fā)，通過閉環(huán)控制使加載系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性要求，加載系統(tǒng)分為三種模式：位移控制模式、伺服加載模式以及卸載模式。位移控制模塊可控制作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退操作，模擬作動(dòng)器在工作過程中的運(yùn)動(dòng)情況；伺服加載模式可對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行加壓操作，模擬作動(dòng)器在飛機(jī)飛行過程中所受的氣動(dòng)力影響，在加載過程中作動(dòng)器表現(xiàn)為位移保持狀態(tài)；卸載模式是當(dāng)PLC接收到信號(hào)由加載模式轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰颇Ｊ綍r(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸載，從而完成一次加載操作。

伺服加載系統(tǒng)中的伺服控制回路具有兩路伺服電流輸出控制功能，可以設(shè)定伺服電流值、零偏、伺服電流增益等，具備伺服電流反饋檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)裙δ埽瑫r(shí)具備輸出電流放大能力。

3.3 作動(dòng)器加載試驗(yàn)

位置伺服控制系統(tǒng)主要用于作動(dòng)器動(dòng)態(tài)性能模擬試驗(yàn)，通過模式選擇功能模擬作動(dòng)器在正常工作中的載荷情況。

對(duì)作動(dòng)器選擇閥進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由測(cè)試臺(tái)的液壓回路提供給被測(cè)件液壓壓力，同時(shí)壓力傳感器會(huì)監(jiān)控實(shí)際提供的壓力（如3000±50psi），如果監(jiān)控到壓力不在要求的范圍內(nèi)就會(huì)提示報(bào)警。測(cè)試程序通過PCI-6703板卡輸出正負(fù)電壓，通過伺服控制回路將正負(fù)電壓轉(zhuǎn)化成正負(fù)驅(qū)動(dòng)電流提供給被測(cè)件。模式選擇閥通斷電由工控機(jī)通過板卡的離散輸出通道控制電氣回路中的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

執(zhí)行位移模式時(shí)，開啟模式選擇閥門作動(dòng)器正常工作的工作狀態(tài)為可跟隨頻率0.1Hz，振幅0.25inch的正弦波指令運(yùn)動(dòng)。作動(dòng)器可按指令循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 作動(dòng)器正常工作曲線

若改變模式選擇閥狀態(tài)，由位移模式轉(zhuǎn)換為阻尼加載模式，觀察作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)情況如圖4所示。此時(shí)作動(dòng)器處于位移保持狀態(tài)，伺服電壓激勵(lì)液壓加載回路對(duì)作動(dòng)器加載，模擬飛機(jī)實(shí)際載荷情況。

圖4 作動(dòng)器加載曲線

當(dāng)模式選擇閥位于阻尼加載模式時(shí)，液壓油以低于100psi/sec的速度緩慢升高系統(tǒng)的進(jìn)油壓力，記錄當(dāng)作動(dòng)器由靜止到開始運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的供油壓力，該供油壓力為作動(dòng)器啟動(dòng)的啟動(dòng)壓力。 伺服系統(tǒng)由位移模式下轉(zhuǎn)變?yōu)樽枘峒虞d模式時(shí)，以低于100psi/sec的速度緩慢降低系統(tǒng)進(jìn)油壓力，記錄當(dāng)作動(dòng)器停止運(yùn)動(dòng)，即作動(dòng)器由主動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換至阻尼模態(tài)時(shí)系統(tǒng)的供油壓力值。模式轉(zhuǎn)換曲線如圖5所示。

圖5 模式選擇切換曲線

液壓作動(dòng)器在加載狀態(tài)和位移狀態(tài)下，執(zhí)行轉(zhuǎn)換壓力測(cè)試時(shí)，壓力的調(diào)節(jié)通過測(cè)試程序控制液壓回路中的比例閥來實(shí)現(xiàn)，停止運(yùn)動(dòng)和開始運(yùn)動(dòng)的判斷通過讀取位移傳感器的位移來實(shí)現(xiàn)。壓力和位移兩路信號(hào)通過PCI-6255送入計(jì)算機(jī)，通過采集數(shù)據(jù)波形的形式對(duì)壓力和位移進(jìn)行記錄，再通過軟件自動(dòng)判斷停止運(yùn)動(dòng)和開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓力。從模式選擇切換曲線可看出，模式轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)壓力值誤差較小，在模式轉(zhuǎn)換過程中，液壓油油壓差系統(tǒng)誤差在0.3%范圍內(nèi)，作動(dòng)器在各工作狀態(tài)下均能良好工作，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文在基于主飛控液壓作動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)中的位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種由控制單元、加載單元、液壓泵站和傳感器共同組成的伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)在飛控作動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了真實(shí)模擬飛機(jī)工作狀態(tài)的應(yīng)用，可對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行正弦激勵(lì)加載，加載后的控制精度誤差可小于0.3%，滿足試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的要求。整個(gè)加載過程穩(wěn)定可靠，無激增、振蕩等現(xiàn)象發(fā)生，加載之后的作動(dòng)器能保持在相對(duì)應(yīng)位置，可以驗(yàn)證在此情況下作動(dòng)器的工作狀態(tài)正常，符合正常工作時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。主飛控液壓作動(dòng)器位置伺服系統(tǒng)適用于對(duì)作動(dòng)器的穩(wěn)態(tài)性能及動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)，且工作可靠性高，滿足伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。