運載火箭伺服系統控制特性參數化仿真方法

薛 嬋,張艷蕊,陳克勤,趙守軍,趙迎鑫,張春龍

(1.北京精密機電控制設備研究所, 北京 100076;2.航天伺服驅動與傳動技術實驗室, 北京 100076;3.北京凱銳遠景科技有限公司, 北京 100195)

伺服系統是運載火箭核心關鍵技術之一,作為飛行控制執行機構,通過擺動發動機實現推力矢量控制[1]。伺服系統接收控制系統指令后,需要快速響應,完成運載火箭的姿態和方向控制,達到火箭穩定飛行的目的,伺服系統控制特性對其至關重要。開展伺服系統控制特性仿真分析,提出針對系統控制特性的優化控制策略,是伺服系統研制過程中不可或缺的一項任務[2],對提高伺服系統工作可靠性,改善動態特性至關重要。

近年來,國內外航空、航天業界對基于參數化的設計思想開展仿真技術的研究高度重視,在研究的同時取得了一些成果和進展[3]。美國Analytical Graphics公司開發的衛星工具包STK作為處理航天任務分析與系統設計的商業軟件,在深空探測任務設計與論證及探測方案仿真與驗證過程中,引入了可視化參數配置技術,有助于總體設計方案的優化[4-5]。Matthew[6]設計開發了基于戰斗機的夜間可視化仿真系統,作為武器研制試驗階段的校驗與分析工具。傅涌峰[7]針對飛機起落架緩沖系統,利用 VC++開發了快速設計系統,可以給出總體初步設計參數,輔助設計人員進行更高效更準確地設計工作。Lu等[8]提出了多學科參數化設計方法的概念,提高三軸伺服系統的設計和仿真效率。Wang等[9-10]基于Matlab和VC混合編程技術,搭建了無人艇模型預測航向跟蹤控制仿真系統,實現了仿真系統可視化。張海瑞等[11]提出一種基于氣動彈道一體參數化模型的外形優化設計方法,可有效提升飛行器氣動外形設計精度和水平。

目前伺服系統控制特性仿真存在一些問題。例如,已有算法分布零散,難于分享、繼承和擴展,導致重復工作多,效率低;工具、流程和方法不統一,模型的形式難以統一,準確性難以保證;設計導航手段不足,型號研制人員無法專注于設計開發工作本身[12]。參數化技術可以在建模過程中嵌入專業知識,逐漸發展成一種高效的建模方式[13]。對于結構相似而參數不同的模型,用戶只需要修改設計表參數自動生成新的模型[14]。基礎模型庫技術能很好適應多種設計情況,并快速完成重復性的設計工作[15]。

本文開發滿足運載火箭伺服系統控制特性參數化仿真通用平臺,具有可拓展的規范化模型庫,可通過模型創建、參數配置、參數設計與分析、參數影響分析等模塊開展參數化仿真分析,通過數據處理模塊對仿真數據進行分析和存儲。應用導航式設計,自動生成模型,開展系統仿真,可快速實現運載火箭伺服系統的設計優化,提高設計效率和準確性。

1 伺服系統控制原理

運載火箭伺服系統控制原理如圖1所示,主要包括電液伺服系統(electro-hydraulic actuators,EH)、機電伺服系統(electro-mechanical actuators,EMA)和電靜壓伺服系統(electro-hydrostatic actuators,EHA)。

圖1 三型伺服系統控制方案原理示意圖

電液伺服系統通過伺服控制器實現位置閉環控制和靜動態特性補償,生成伺服閥指令電流,伺服閥分配高壓液壓流量至作動器兩腔,實現搖擺發動機運動[16]。國內外運載火箭通常采用此方案,具有輸出功率大、響應速度快、可靠性高等特點,但核心控制元件伺服閥對污染物較為敏感,且工藝復雜,成本較高[17]。

機電伺服系統通過伺服控制驅動器實現位置、速度、電流閉環控制和靜動態特性補償,改變伺服電機的轉向和轉速,驅動滾珠/柱絲杠輸出不同方向和速度的作用力,推動發動機噴管擺動實現姿態控制。該方案完全消除了液壓設計和滲漏油隱患,使用維護性好,但絲杠類執行機構冗余設計復雜,且大負載、大功率能力有限,尚無法滿足一些高可靠應用需求[18]。

電靜壓伺服系統控制回路原理與機電伺服系統基本相同,通過控制伺服電機泵轉速和轉向,改變輸出流量大小和方向,實現速度和位置控制[19]。該方案控制回路采用高效的伺服電機控制,取消了易發生污染堵塞故障的伺服閥、大體積液壓油箱和外部液壓導管,使用維護性顯著提高。執行回路采用傳統伺服作動器,通過流量綜合易于實現冗余設計,可靠性高。通過高緊湊集成化設計和控制策略研究,動態特性可滿足我國運載火箭應用需求[20]。

2 通用仿真平臺設計

2.1 總體方案

運載火箭伺服系統控制特性仿真效率和準確性,基于伺服系統控制原理和仿真分析流程,利用Matlab/Simulink開發參數化通用仿真平臺,基本架構如圖2所示。基礎模型庫支持算法修改和擴展,可滿足EH、EHA、EMA 3種伺服系統建模需求,包含控制模型建立、參數配置、參數設計與分析、仿真驗證、數據處理等環節,采用導航式設計,通過調用模型庫和控制架構可自動生成控制模型,快速開展系統仿真分析和控制參數設計。此外具有多個功能擴展接口,可實現數據管理、報告生成和功能擴展。

圖2 通用仿真平臺基本架構框圖

2.2 基礎模型庫

伺服系統控制特性參數通用仿真平臺基礎模型庫組成如圖3所示,包括三型伺服系統控制特性仿真各環節基礎模型,如控制信號、控制算法、伺服閥、液壓泵、伺服電機、伺服作動器、負載效應、負載特性等。

圖3 模型庫組成示意圖

模型創建時,先定義一個后綴名為“.slx”的庫文件,拖動一個子系統模塊,模塊名稱為首字母大寫的英文單詞或詞組。然后在模塊右鍵點擊Look under mask,編輯該模塊具體內容,定義模塊封裝好后與外界進行信號傳遞的“門”,即輸入、輸出接口。模塊封裝好后,在MASK編輯框中添加模塊參數,編輯相關模型信息,定義圖標,對模塊進行初始化。最后通過使用子系統創建模型視覺層級或功能層級。模型的創建和封裝如圖4所示,MASK編輯對話框如圖5所示。模型庫實際應用過程中可進行不斷擴展完善,滿足不同工況、不同產品控制特性仿真需求,同時實現規范化管理。

圖4 模型的創建過程框圖和封裝界面

圖5 MASK編輯對話框界面

2.3 模型參數辨識

為提高模型仿真分析結果的準確性,基于試驗數據采用全因子尋優方法對系統各模塊模型進行參數辨識,為參數化仿真分析提供支撐。以發動機負載特性為例,可以表示為如下形式:

(1)

式中:ωr1、ξr1為發動機等效結構主諧振頻率和阻尼比;ωr2、ξr2為發動機等效結構次諧振頻率和阻尼比;ωL2、ξL2為分子諧振頻率和阻尼比。

發動機負載特性可由伺服系統頻率特性測試獲得,輸入等幅、由低到高頻率的正弦指令信號,將測量得到的發動機角位移輸出與伺服系統線位移輸出進行比較運算,即可獲取發動機的諧振特性。

ωr1、ωr2、ωL2為發動機實測負載特性曲線的波峰和波谷頻率值,首先以結構阻尼比ξr1、ξr2、ξL23個參數為循環變量,每一個變量值依據發動機實測數據及工程經驗給出一定序列值,自動完成循環求解,得出不同參數組合下的頻率特性解。然后以實測發動機負載特性數據幅值為優化目標,制定不同頻率下的幅值容差,對參數組合進行篩選。最后以發動機3個諧振頻率處的最小復合振幅差作為最終判據,獲取結構阻尼比最優參數。

ΔAL=a·ΔAr1+b·ΔAr2+c·ΔAL2

(2)

式中:ΔAL為最小復合振幅差;ΔAr1、ΔAr2、ΔAL2分別為ωr1、ωr2、ωL2頻率處的振幅差;a、b、c分別為權重因子。

2.4 參數化仿真分析

參數化仿真分析基本流程如圖6所示,主要包括模型創建、參數配置、參數設計與分析、參數影響分析等。

圖6 參數化仿真分析基本流程框圖

模型創建模塊首先選擇相應的控制結構,仿真平臺自動調用模型庫生成伺服系統控制特性基礎模型。

參數配置模塊用于模型各環節的參數化顯示,如控制參數、作動器參數、負載特性參數等,并可根據實際產品的設計對各參數進行配置修改,生成伺服系統控制特性的仿真模型,如圖7所示,仿真模型創建后可保存相應配置,后續仿真分析時可直接加載,簡化操作。

圖7 仿真模型的參數界面

參數設計與分析模塊用于進行不同控制參數、不同控制信號下的性能仿真分析,控制器參數設置界面可對仿真模型中控制算法相應參數進行修改,包括比例、積分、微分、陷波、前饋等參數,輸入信號選擇界面可選擇位置、暫態、頻率等控制信號,更新參數后進行仿真,仿真過程中可選擇查看仿真模型各中間變量和最終輸出結果,如圖8所示。

圖8 參數設計與分析界面

參數影響分析模塊是在參數設計與分析基礎上增加控制參數影響分析,可選擇一項控制參數或模型參數設置變化區間和間隔,進行不同控制信號下仿真分析,對比不同參數對伺服系統性能的影響,如圖9所示,通過對比不同參數對伺服系統靜動態性能影響,可快速得到最優的設計參數。

圖9 參數影響分析界面

參數設計與分析、參數影響分析模塊均設置有數據處理按鈕,可通過數據處理模塊對仿真數據進行分析和存儲。參數化仿真平臺通過Matlab編程語言實現界面、目錄樹等主體程序編制,并在每一個模塊界面建立交互對象,并為每個對象編寫相應的功能即可實現參數輸入輸出、調用函數、顯示圖形、讀寫文件等功能。仿真平臺主界面按電液伺服系統(EH)、電靜壓伺服系統(EHA)、機電伺服系統(EMA)3種類型分別配置,每個包含模型創建模塊、參數配置模塊、參數設計與分析模塊和參數影響分析模塊,各模塊有獨立的分析函數,界面和參數設置根據伺服系統類型針對性設計,方便操作和使用。

2.5 數據處理

數據處理模塊用于滿足伺服系統不同控制信號下輸出結果的處理、分析、存儲等,可根據仿真模型正弦信號輸入輸出繪制系統位置回環曲線,分析給出最大擺角、回環寬度、名義位置增益、線性度、位置對稱度等。可根據暫態特性輸入輸出分析給出最大速度。可根據頻率特性輸入輸出繪制系統Bode圖,給出不同頻率下幅值和相位。此外采用數據管理實現對仿真數據的分析、存儲、加載,可對不同工況下仿真結果進行對比分析。頻率特性數據處理結果如圖10所示。

圖10 數據處理界面

3 應用驗證

3.1 電液伺服系統應用驗證

以某型運載火箭電液伺服系統為例,對伺服系統控制特性參數化通用仿真平臺進行應用驗證,建立伺服系統控制特性仿真模型如圖11所示。通過參數辨識獲取系統控制模型主要參數如表1所示。

圖11 雙諧振點負載下電液伺服系統控制特性仿真模型框圖

表1 電液伺服系統控制模型的主要參數

通過參數設計與分析模塊進行幅值2°、頻率0.05 Hz正弦信號仿真分析,結果如圖12所示。圖12給出該型電液伺服系統在真實負載臺工況下的實測數據,系統跟蹤誤差小于0.1°,仿真與試驗誤差小于2.5%,一致性好。采用幅值0.2°、頻率1～150 rad/s的正弦信號進行頻率特性仿真分析,通過數據處理模塊繪制Bode圖,結果如圖13所示。通過與真實負載臺工況下的實測數據對比,可以看出低頻段一致性較好,高頻段受負載模型簡化的影響略有差異,可滿足實際使用需求。

參數化影響分析驗證對電液伺服系統比例增益參數在0.8～1.2范圍,間隔0.1進行頻率特性仿真分析,結果對比如圖14所示,可分析不同比例增益參數對伺服系統幅值和相位的影響,提高伺服系統控制特性參數優化效率。

圖12 電液伺服系統位置特性曲線

圖13 電液伺服系統頻率特性曲線界面

圖14 電液伺服系統控制參數影響分析結果界面

3.2 電靜壓伺服系統應用驗證

以電靜壓伺服系統為例,對伺服系統控制特性參數化通用仿真平臺進行應用驗證,建立伺服系統控制特性仿真模型如圖15所示。通過參數辨識獲取系統控制模型主要參數如表2所示。

圖15 雙諧振點負載下電靜壓伺服系統控制特性仿真模型框圖

表2 電靜壓伺服系統控制模型的主要參數

通過參數設計與分析模塊進行幅值2°、頻率0.05 Hz正弦信號仿真分析,結果如圖16所示。圖16給出該型電靜壓伺服系統在真實負載臺工況下的實測數據,系統跟蹤誤差小于0.1°,仿真與試驗誤差小于2.3%,一致性好。采用幅值0.2°、頻率1～150 rad/s的正弦信號進行頻率特性仿真分析,通過數據處理模塊繪制Bode圖,結果如圖17所示。通過與真實負載臺工況下的實測數據對比,可以看出低頻段一致性較好,高頻段受負載模型簡化的影響略有差異,可滿足實際使用需求。

圖16 電靜壓伺服系統位置特性曲線

圖17 電靜壓伺服系統頻率特性曲線界面

參數化影響分析驗證電靜壓伺服系統電機等效阻尼比參數在0.5～0.9范圍,間隔0.1進行頻率特性仿真分析,結果對比如圖18所示,可分析不同電機等效阻尼比參數對電靜壓伺服系統幅值和相位的影響,提高電靜壓伺服系統控制特性參數優化效率。

3.3 機電伺服系統應用驗證

以某型機電伺服系統為例,對伺服系統控制特性參數化通用仿真平臺進行應用驗證,建立伺服系統控制特性仿真模型如圖19所示。通過參數辨識獲取系統控制模型主要參數如表3所示。

圖18 電靜壓伺服系統控制參數影響分析界面

圖19 雙諧振點負載下機電伺服系統控制特性仿真模型框圖

表3 機電伺服系統控制模型的主要參數

續表(表3)

通過參數設計與分析模塊進行幅值2°、頻率0.05 Hz正弦信號仿真分析,結果如圖20所示。圖20給出該型機電伺服系統在真實負載臺工況下的實測數據,系統跟蹤誤差小于0.1°,仿真與試驗誤差小于2.4%,一致性好。采用幅值0.2°、頻率1～140 rad/s的正弦信號進行頻率特性仿真分析,通過數據處理模塊繪制Bode圖,結果如圖21所示。通過與真實負載臺工況下的實測數據對比,可以看出低頻段一致性較好,高頻段受負載模型簡化的影響略有差異,可滿足實際使用需求。

圖20 機電伺服系統位置特性曲線

圖21 機電伺服系統頻率特性曲線界面

參數化影響分析驗證對機電伺服系統陷波第一零點阻尼比參數在0.26～0.30范圍,間隔0.01進行頻率特性仿真分析,結果對比如圖22所示,可分析不同比例增益參數對伺服系統幅值和相位的影響,提高伺服系統控制特性參數優化效率。

圖22 機電伺服系統控制參數影響分析結果界面

4 結論

1) 針對運載火箭伺服系統控制特性仿真需求,應用Matlab編程和界面設計技術,開發了伺服系統控制特性參數化仿真平臺,包括可拓展的規范化基礎模型庫,將伺服系統控制回路各組成部分進行模塊化封裝,通過模型創建和參數配置模塊可自動快速生成伺服系統控制特性仿真模型,利用參數設計與分析、參數影響分析進行仿真分析和驗證,采用數據處理模塊對仿真模型和結果進行處理、分析和存儲。

2) 通用仿真平臺采用導航式設計,可快速實現伺服系統控制特性正向設計和仿真分析,經應用驗證仿真分析結果與試驗一致性好,解決了伺服系統控制特性仿真模型、方法不統一和難以繼承的問題,顯著提高仿真分析效率和準確性,可推廣應用。

3) 后續基礎模型庫、控制結構等可不斷拓展完善,也可與機械、電氣、熱學、力學等學科開展基于模型的系統工程正向設計研究,提升產品快速研制能力。