原位校準(zhǔn)高精度測力系統(tǒng)研發(fā)

李洪任，侯守全，孟瑞峰，崔昭霞，楊 濤

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機械學(xué)院，呼和浩特 010062）

0 引言

原位校準(zhǔn)系統(tǒng)是在固體火箭發(fā)動機試驗現(xiàn)場運用液壓加載和交流伺服補償裝置產(chǎn)生恒定的作用力，施加在發(fā)動機上，以模擬發(fā)動機工作時產(chǎn)生的已知作用力, 從而對推力測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定和校核的系統(tǒng)。

所研發(fā)的系統(tǒng)集機電液技術(shù)于一體，可實現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力、加載液壓缸行程、加載力和加載規(guī)律等的設(shè)定；實現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力、加載液壓缸行程、加載力和油液溫度實時數(shù)據(jù)采集；以設(shè)定的加載力值為輸入，數(shù)字式高精度測量放大器讀入的拉壓傳感器力值為反饋，控制交流伺服加載補償裝置最終實現(xiàn)加載力的高精度控制。

利用LabVIEW軟件作為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合固高運動控制卡及IO擴展模塊等完成應(yīng)用程序的開發(fā)。

經(jīng)多次原位校準(zhǔn)試驗，正向加載和反向卸載均能夠滿足靜態(tài)校準(zhǔn)精度要求，證明所研發(fā)的原位校準(zhǔn)系統(tǒng)方法可行，對行業(yè)有一定的參考借鑒作用。

1 原位校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)集成固定在可移動式臺架上，主要組成部分有：可移動式臺架、液壓控制泵站、加載伺服液壓缸、交流伺服加載補償裝置、拉壓傳感器、數(shù)字式精密測量放大器、電氣控制柜、上位控制計算機、多軸運動控制器、通信及控制程序等。

固體火箭發(fā)動機推力校準(zhǔn)試驗系統(tǒng)的關(guān)鍵在于高精度推力的實現(xiàn)及高剛度的機械結(jié)構(gòu)。發(fā)動機的組成包括試車架、原位校準(zhǔn)系統(tǒng)和推力測量系統(tǒng)[1]，圖1為該系統(tǒng)簡易模型。試驗開始時，通過操作界面控制，將交流伺服電機與精密減速器輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換具有一定牽引力的滾珠絲杠螺母向前/向后運動，并作用在補償柱塞缸上，實現(xiàn)了推力轉(zhuǎn)換。原位校準(zhǔn)系統(tǒng)采用固高運動控制采集卡進(jìn)行實時采集，與HBM公司的高精密數(shù)字顯示器建立通信，同步顯示力值變化，通過操作界面進(jìn)行自動加載、卸載。實現(xiàn)數(shù)值穩(wěn)定性至關(guān)重要的就是機械結(jié)構(gòu)部分，它對實現(xiàn)力值的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性的作用。

圖1 原位校準(zhǔn)系統(tǒng)簡易模型

2 機械結(jié)構(gòu)誤差分析

交流伺服加載補償裝置三維模型如圖2所示，裝置采用串聯(lián)式連接結(jié)構(gòu)。交流伺服電機的輸出軸與精密行星減速器輸入端連接，彈性聯(lián)軸器一端與減速器輸出軸連接，另一端與滾珠絲杠螺母副的絲杠連接，螺母固定在滾動導(dǎo)軌上，其端部與補償柱塞缸的柱塞連接，從而實現(xiàn)了運動的轉(zhuǎn)換及力的傳遞。

精密減速器將交流伺服電機的輸出扭矩放大，以適應(yīng)負(fù)載需要。外循環(huán)雙螺母預(yù)緊滾珠絲杠螺母副實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動到直線運動的轉(zhuǎn)換。加載控制柱塞缸輸出或進(jìn)入液壓油，用以對加載伺服液壓缸的力值變化進(jìn)行正或負(fù)補償。

圖2 原位校準(zhǔn)系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)三維模型

當(dāng)交流伺服電機帶動聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動時，滾珠絲杠螺母軸向運動從而完成加載、卸載。在某一加載力作用下，裝置機械部分的剛度性能會對靜態(tài)力值精度產(chǎn)生重大影響，需對該機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。按照最大加載工況，將其導(dǎo)入ANSYS后進(jìn)行分析，其應(yīng)變分布如圖3所示。

圖3 整體應(yīng)變分布

3 液壓控制系統(tǒng)

推力試驗中液壓回路對系統(tǒng)實現(xiàn)力源的穩(wěn)定性有很大影響。油液有效體積彈性模量是影響液壓系統(tǒng)性能的一個重要物理參數(shù)，其取值精確與否，將直接影響著對系統(tǒng)分析的精度、研究結(jié)果的正確性。油液的有效體積彈性模量可分為油液的體積彈性模量與管道和附件的彈性模量兩大部分, 以前者占主導(dǎo)地位, 因此，對油液壓縮性的研究是液壓技術(shù)領(lǐng)域中一個重要的課題。油液體積彈性模量的影響因素有油液的含氣量、溫度、壓力及分子結(jié)構(gòu)等。在本系統(tǒng)中，根據(jù)油液的彈性模量、管道變形、混氣情況等, 粗略地估計油液的體積彈性模量值為700MPa ，以此作為計算油液壓縮容積的依據(jù)。

在某一加載力值下，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)給定的靜態(tài)力值精度，可以計算出加載液壓缸液容的軸向變化量，為：

式中：

l1為加載缸內(nèi)液容軸向變化量(m)；為某一加載力下的靜態(tài)誤差值(N)；為加載缸連通部分的總液容(m3)；

A1為加載缸無桿腔面積(m2)；

B為油液體積彈性模量(M P a)，計算中取B=700MPa。

補償柱塞缸補償?shù)奈灰屏繛椋?/p>

式中：

lp1為補償柱塞缸軸向位移量(m)；

Ap為補償柱塞缸面積(m2)。

采用加載補償柱塞缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在每一級壓力校準(zhǔn)期間能夠提供補償壓力所需的液容。當(dāng)加載缸在動態(tài)加載狀態(tài)活塞位移變化引起液容變化時，液容變化引起壓力變化，其壓力變化量由控制柱塞缸動態(tài)補償。

加載試驗開始時，比例溢流閥自動設(shè)定到某力值下的壓力，三位四通閥工作在右位狀態(tài)，加載液壓缸對模擬機進(jìn)行預(yù)加載，與此同時，交流伺服電機反轉(zhuǎn)，補償柱塞缸后退，得到最大補償液容。達(dá)到比例溢流閥設(shè)定壓力后，三位四通電磁閥失電，加載液壓缸壓力由液控單向閥支承。力值誤差通過交流伺服柱塞缸系統(tǒng)補償。如圖4液壓控制原理圖。

圖4 液壓控制原理圖

4 原位校準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用程序

控制系統(tǒng)的軟件控制部分是實現(xiàn)操作控制重要的組成部分，目前許多試驗控制系統(tǒng)采用C++/VC/VB等編程語言進(jìn)行二次開發(fā)，這些編程語言可視性差，開發(fā)周期長且工作量繁重。因此，本系統(tǒng)采用功能強大、靈活、可視化的LabVIEW編程語言，以LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合固高運動控制卡GTS-400-PV(G)-PCI及IO擴展模塊等完成了應(yīng)用程序的二次開發(fā)。

系統(tǒng)應(yīng)用程序包括：

1）功能邏輯和數(shù)據(jù)采集控制。按系統(tǒng)工作要求以邏輯控制方式，完成數(shù)據(jù)采集、控制模態(tài)選擇、數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果顯示與輸出。

2）控制模態(tài)選擇。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖中控制方式的設(shè)定，在操作界面上選擇控制模態(tài)和設(shè)置有關(guān)參數(shù)。

3）I/O信號的濾波與調(diào)理。完成輸入輸出信號的濾波與調(diào)理并將這些信號轉(zhuǎn)換為可供分析的數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)運行的特性曲線顯示輸出。

4）測試結(jié)果顯示。將系統(tǒng)運行的時域特性曲線實時顯示，并通過界面操作按鈕顯示系統(tǒng)特性曲線。

5）數(shù)據(jù)存儲與輸出。將系統(tǒng)工作時的特性數(shù)據(jù)存儲于表格中，并標(biāo)注出相關(guān)的特征值等。

通過操作界面可進(jìn)行控制發(fā)動機推力校準(zhǔn)試驗的全過程，并同步進(jìn)行加載液壓缸壓力及位移量、推力實時顯示和記錄。圖5為系統(tǒng)操作界面。

圖5 原位校準(zhǔn)操作界面

以某集團(tuán)某型號發(fā)動機原位校準(zhǔn)為例，要求靜載時最大誤差允許δ≤0.03%，按系統(tǒng)分級加載和卸載要求完成數(shù)據(jù)采集。

圖6 力值控制框圖

試驗開始時需輸入標(biāo)準(zhǔn)力值，在操作界面上選擇好試驗液壓缸型號，并設(shè)定比例溢流閥在對應(yīng)壓力下的輸入電壓、試驗最大推力、目標(biāo)時間、試驗力值梯度數(shù)和精度偏差等參數(shù)。試驗過程中通過計算力值的波動值來計算控制柱塞補償值，根據(jù)伺服電機脈沖數(shù)來控制柱塞運動，實時反饋讀取力值大小，最后輸出要求的力值。圖6所示為力值控制框圖。

5 試驗結(jié)果分析

基于上述分析，進(jìn)行模擬試驗。試驗過程分為兩大部分，一是通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，尋找最為合適參數(shù)；二是根據(jù)試驗要求進(jìn)行滿載荷加載/卸載、滿量程五等分加載/卸載，兩部分進(jìn)行。

考慮到試驗推力加載時間的要求及控制精度性要求高的具體情況，調(diào)節(jié)反饋時分為快速調(diào)節(jié)和慢速調(diào)節(jié)兩個過程。

本試驗設(shè)在目標(biāo)值的15%時進(jìn)入減速調(diào)節(jié)，完成力值穩(wěn)定期間誤差范圍波動在＜0.03%實現(xiàn)高精度控制。

在閉環(huán)系統(tǒng)中使用PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)最終定位并大大降低飽和所造成的超調(diào)。因此，當(dāng)對力值進(jìn)行微調(diào)時，只進(jìn)行p調(diào)節(jié)。試驗時通過將比例和微分環(huán)節(jié)放在反饋通道上，在改變給定值時，由于被控量通常是比較緩和的，控制器輸出不會突變[4]。根據(jù)試驗要求，在LabVIEW軟件程序中設(shè)定點在±150N之內(nèi)改變PID參數(shù)，且判斷實際值是否到達(dá)設(shè)定范圍內(nèi)、自動梯度加載/卸載，圖7為LabVIEW設(shè)定PID程序圖。

圖7 LabVIEW設(shè)定PID程序圖

調(diào)節(jié)比例增益進(jìn)行調(diào)節(jié)可以有效降低超調(diào)誤差問題，比例增益Kc采用兩個值，采用大的比例增益快速趨近，提高快速性；小值慢速逼近，降低力值超調(diào)，保證力值精度。通過試驗尋找最優(yōu)的Kc值，其中設(shè)置一值進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，使力值快速進(jìn)入偏差大的階段，在盡可能在短的時間內(nèi)快速接近目標(biāo)值。另一P值在進(jìn)入慢速調(diào)節(jié)階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中P值可以消除擾動和滯后的影響。 D調(diào)節(jié)是對誤差的變化率快速進(jìn)行調(diào)節(jié)，但根據(jù)試驗具體要求，力值穩(wěn)定時間必須滿足20s，在微調(diào)階段力值誤差較小，如加入D調(diào)節(jié)會因其速率快導(dǎo)致力值波動性增大，影響試驗時間及調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性。表1為一部分試驗數(shù)據(jù)。

表1 部分Kc試驗數(shù)據(jù)

該PID閉環(huán)調(diào)節(jié)試驗在Kc取值102～122，設(shè)定推力力值14300N～16300N，數(shù)據(jù)反映，在Kc取值103，力值設(shè)定為14400N時調(diào)節(jié)耗時18秒，滿足試驗要求20s內(nèi)；Kc取值120，力值設(shè)定為16100N時調(diào)節(jié)耗時19秒，滿足試驗要求20s內(nèi)。進(jìn)行了大量試驗得出Kc最佳取值。

以30000N自動梯度加載/卸載為例進(jìn)行試驗，設(shè)定參數(shù)：穩(wěn)定時間20s、梯度為5，誤差0.02%。加載從0開始，到達(dá)6000N后自動檢測，滿足后加載到下一設(shè)定點。當(dāng)設(shè)定點滿足30000N后，實時推力曲線逐漸下降，直到目標(biāo)推力為下一個設(shè)定點，即24000N，且自動檢測是否滿足時間20s。圖8顯示梯度加載、卸載數(shù)據(jù)及上升5個梯度、下降5個梯度曲線。

圖8 梯度加載、卸載曲線圖

試驗表明通過PID調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)力值穩(wěn)定無超調(diào)，該方法可行、有效，滿足試驗要求。

6 結(jié)論

基于上述試驗結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1）原位校準(zhǔn)系統(tǒng)由機械結(jié)構(gòu)、精密測力儀器、計算機控制部分和軟件二次開發(fā)幾部分構(gòu)成。數(shù)字精密儀表誤差較小，可以忽略，但機械部分易產(chǎn)生彈性變形，可以通過改善機械結(jié)構(gòu)、增加靜剛度和連接裝配增加接觸剛度等方法降低誤差。

2）HBM精密儀器數(shù)字顯示儀表與工控機不能直接進(jìn)行通信連接，只能采用高級后臺設(shè)置方法解決這一問題。

3）該系統(tǒng)輸入和調(diào)節(jié)參數(shù)雖然為力值，但實質(zhì)就是加載液壓缸微小位移的控制，力值精度取決于位移精度。

4）該系統(tǒng)實現(xiàn)了校準(zhǔn)全過程自動化，大大降低了勞動強度，減小了人為誤差，試驗測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，靜態(tài)校準(zhǔn)精度達(dá)到了0.03%，達(dá)到和超過了靜態(tài)指標(biāo)要求。

[1] 張學(xué)成.壓電陶瓷在發(fā)動機推力測量中的應(yīng)用研究[J].推進(jìn)技術(shù)1998,19(6).

[2] 李松年,葛思華,史維祥.油液體積彈性模量β的在線測量技術(shù)[J].機械工程學(xué)報.1989,25(3):89-96.

[3] 馮斌,龔國芳,楊華勇.液壓油彈性模量提高方法與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報.2010.

[4] 張學(xué)成,荊風(fēng)林.發(fā)動機推力測量校準(zhǔn)中加載模糊控制[J].推進(jìn)技術(shù).1999.