5.5 m×4 m 聲學風洞尾撐系統機電液聯合建模與仿真研究

劉念，王帆，李樹成

(中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽621000)

5.5 m×4m 聲學風洞模型尾撐試驗裝置主要包括尾撐機構、伺服液壓系統和電氣控制系統。尾撐機構(如圖1 所示)主要由變角度機構、Y 向機構和地坑組成，通過變角度機構的動作以及和Y 向機構的協調運動，實現模型迎角α 和側滑角β 的變化，并保證模型中心在變化過程中僅沿風洞試驗段中心軸線方向移動。

圖1 5.5 m×4 m 聲學風洞尾撐機構三維模型

尾撐機構實現角度運動的機制為(見圖2):迎角變化時，α 角油缸(兩個同向)驅動迎角頭繞迎角轉動中心旋轉，同時Y 向油缸(兩個同向)與α 角油缸協調運動，保證模型中心在風洞軸線上，迎角變化范圍為－15° ～+90°;側滑角變化時，前β 角油缸(兩個反向)驅動前拐臂繞前側滑鉸鏈端偏轉，同時后β 角油缸(兩個反向)驅動后拐臂繞后側滑鉸鏈端偏轉，補償模型中心橫向偏移，通過前后兩組油缸協調運動，確保模型中心在風洞軸線上，側滑角變化范圍為－30° ～+30°;通過迎角方向、側滑角方向和Y 向3 個方向的運動組合，實現模型不同姿態角的自動控制。

該尾撐機構利用電液伺服閥控制液壓缸驅動重達數十噸的活動部件，其功能的實現需要機械、液壓和控制等各方面協調工作，是一個復雜的機電液系統。由于尾撐機構具有3 個旋轉和1 個平移共4 個自由度，要實現模型姿態角的精確定位，并保證模型中心在變化過程中僅沿風洞試驗段中心軸線方向移動，需要完善的控制策略。

圖2 尾撐系統迎角和側滑角機構計算模型

利用LMS 公司的仿真軟件Motion 與AMESim 對該尾撐機構的機械系統和電液控制系統分別進行了建模，并利用軟件間的接口搭建聯合仿真平臺，實現了機電液聯合仿真研究。結果表明:文中提出的主從同步控制策略可以實現機構的運動要求，模型迎角、側滑角定位精度均符合風洞試驗的要求。

1 Motion/AMESim 聯合仿真平臺

Motion 是機械系統運動學/動力學仿真分析軟件，可以對機構進行全剛體分析和剛柔耦合分析，用于模擬機械系統的實際運動和載荷。AMESim 是基于直觀的圖形界面的系統建模和仿真平臺，包含液壓、機械、信號控制等一系列專業應用庫，能對電液控制系統進行建模和仿真分析。

針對機電液系統，Motion/AMESim 聯合仿真平臺可以充分發揮各自的特長，分析機電液系統的耦合性能和能夠達到的控制指標，對所設計的系統進行整體評估。Motion 和AMESim 集成和聯合仿真是通過軟件間的接口實現的，如圖3 所示，接口將電液系統輸出的液壓能通過液壓缸施加給機械系統，同時將機械系統輸出的位移和速度反饋給液壓缸，實現了電液系統和機械系統的耦合和集成。

圖3 Motion 與AMESim 接口示意圖

2 風洞尾撐系統建模

2.1 機械系統建模

在Motion 仿真平臺下，建立尾撐機構的機械系統模型。首先，在內嵌的三維CAD 模塊中建立尾撐機構的零件實體模型;然后，在機構建模設計模塊中將建立的零件轉換為剛體構件，進行裝配并添加相應的運動約束副和力;初始時，尾撐機構靜止不動，模型的迎角α 和側滑角β 均為0°。完成的機械系統模型如圖4 所示。

圖4 尾撐機構機械系統Motion 模型

2.2 電液系統建模

使用AMESim 的液壓、機械、信號控制庫創建電液控制系統模型，如圖5 所示。模型包括液壓、控制和接口3 個部分，共同組成了電液伺服位置控制系統。

如圖5，油源通過3 臺電機分別帶動3 臺油泵工作，每臺油泵流量為100 L/min，不足流量由蓄能器組提供。系統工作壓力為21 MPa。為減少伺服閥數量、降低系統成本，利用1 只電液伺服閥控制2 只油缸。壓力油由4 個電液伺服閥控制進入4 組共8 個液壓缸。油缸和電液伺服閥的主要技術參數見表1。

圖5 尾撐機構電液控制系統AMESim 模型

表1 尾撐機構油缸和電液伺服閥主要技術參數

3 聯合仿真分析

3.1 控制策略

進行吹風試驗時，模型姿態角有3 種運動模式:側滑角固定，改變迎角;迎角固定，改變側滑角;迎角和側滑角同時變化。3 種模式中，單獨變迎角或側滑角時，迎角機構和側滑角機構相互之間不涉及協調運動，控制較簡單;迎角和側滑角同時變化時，迎角機構和側滑角機構相互影響，控制相對復雜。

考慮到Y 向機構和后側滑機構主要用以補償模型中心的垂向和橫向偏移，屬于從動機構。因此，針對模型姿態角的3 種變化模式，提出如圖6 所示的主從同步控制策略。

圖6 尾撐機構姿態角主從控制框圖

初始時刻，迎角和側滑角均為零。側滑角β 固定，變迎角α 時，給定迎角信號，利用α 角油缸直線位移傳感器實時測得的位移值解算出模型中心的垂向偏移，進而驅動Y 向機構運動加以補償。同理，迎角α 固定，變側滑角β 時，給定側滑角信號，利用前側滑油缸直線位移傳感器實時測得的位移值解算出模型中心的橫向偏移，進而驅動后側滑機構運動加以補償。迎角α 和側滑角β 同時變化時，Y 向機構和后側滑機構同時動作，分別補償模型中心的垂向和橫向偏移。此時，迎角機構和側滑角機構相互之間影響，需協調考慮。

3.2 仿真結果分析

初始時刻，尾撐機構處于靜止狀態，模型迎角和側滑角均為零，模型中心在試驗段中心線垂直面上的投影坐標為(0，0)。

對側滑角β 固定、迎角α 變化(α =80°、β =0°)，迎角α 固定、側滑角β 變化(α =0°、β =30°)和側滑角β 和迎角α 同時變化(α =80°、β =30°)3種不同工況，設置仿真時間200 s，進行機電液聯合仿真并對比分析。圖7 示出了側滑角β 和迎角α 同時變化時，模型姿態角變化曲線，對應模型中心偏離風洞試驗段中心的距離如圖8 所示。

圖7 α=80°、β=30°時，模型姿態角變化曲線

圖8 α=80°、β=30°時，模型中心位置變化曲線

綜合3 種工作模式，從仿真結果可以看出:采用主從同步控制策略，尾撐機構定位80 s 后，模型迎角誤差均小于0.05°，側滑角誤差小于0.01°，可以實現姿態角的精確定位;模型中心在變化過程中近似沿風洞試驗段中心軸線方向移動，距離偏差小于2 cm，滿足風洞試驗的要求。

4 結論

借助仿真軟件Motion 和AMESim，對5.5 m×4 m聲學風洞多自由度尾撐裝置進行了機電液一體化建模與全剛體仿真分析。結果表明:采用主從同步控制策略，尾撐機構可以實現模型姿態角的精確定位，并保證模型中心在變化過程中僅沿風洞試驗段中心軸線方向移動，滿足風洞試驗的要求。結果還表明:利用Motion/AMESim 聯合仿真平臺能方便快捷地對機電液系統進行建模，預測系統性能，分析系統的耦合性能和能夠達到的控制指標，對機電液系統的設計和分析具有十分重要的作用。

【1】李樹成.5.5 m×4 m 聲學風洞尾撐液壓系統技術設計［R］.綿陽:中國空氣動力研究與發展中心，2011.

【2】尹永濤.5.5 m×4 m 航空聲學風洞尾撐系統施工設計［R］.綿陽:中國空氣動力研究與發展中心，2010.

【3】萬曉峰，劉嵐，曹巖.LMS Virtual.Lab Motion 入門與提高［M］.西安:西北工業大學出版社，2010.

【4】付永領，齊海濤，李慶. LMS Imagine.Lab AMESim 系統建模和仿真實例教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

【5】劉念，李樹成，王帆. 基于Motion/AMESim 的某風洞迎角機構建模與仿真研究［J］. 機床與液壓，2012，40(11):135 －137.