一種關于飛機不同作動系統功耗對比研究的仿真方案

胡肖亨　郭建偉　王小英

【摘 要】機載作動系統性能的優劣會對飛機的操縱特性造成重大的影響，而能源功耗是機載作動系統性能的一個重要指標。本文利用仿真軟件，提出了一種關于飛機功率電傳作動系統與飛機傳統電液伺服作動系統功耗對比研究的仿真方案，并通過設計不同的模型參數來對比研究不同作動系統在驅動相同舵面按同樣軌跡運動時的能源功耗。

【關鍵詞】功耗對比；仿真方案；作動系統

0 引言

功率電傳是指由飛機次級能源系統至作動系統各執行機構之間的功率傳輸通過電導線以電能量方式完成，而不是通過遍布機身的液壓管路里的油液來傳遞功率。用于飛行控制系統的電力作動系統采用功率電傳的功率傳輸方式，因而通常稱之為功率電傳作動系統。目前的功率電傳作動系統主要有三類：電動靜液作動系統（EHA）方案，機電作動系統（EMA），和集成包裝作動系統（IAP）方案。

飛機功率電傳作動系統與飛機傳統液壓伺服作動系統的對比研究，需要考慮諸多因素，比如液壓系統與飛控作動器的重量，作動系統的能源功耗，作動系統的可靠性，作動系統的余度，作動系統的性能，作動系統的安裝空間，以及作動系統的成本。

本文簡化了由中央液壓源提供能量的液壓作動系統和由大功率電源供能的電力作動系統的仿真模型，提出一種關于兩套作動系統能源功耗對比研究的仿真方案。文中還通過設置不同的模型參數比較了不同作動系統在實現相同功能情況下的能源功耗情況。

1 功耗對比方案

飛機功率電傳作動系統與飛機傳統電液伺服作動系統的功耗對比研究思路如圖1所示。給飛機傳統電液伺服作動系統的作動器活塞桿輸入一個指定的運動位置曲線，通過PID反饋調節，使作動器活塞桿的實際運動曲線與指定的運動曲線相吻合，查看并記錄該電液伺服作動系統的液壓功率輸入值，即壓力與流量的乘積值。用同樣的方法，給飛機功率電傳作動系統輸入一個相同的運動位置曲線，通過PID反饋調節，使作動器活塞桿的實際運動曲線與指定的運動曲線相一致，查看并記錄此時功率電傳作動系統的電功率輸入值，即電壓與電流的乘積值。比較以上的兩組數值，就相當于比較了不同作動系統在實現相同系統輸出情況下的的功耗情況。

1.1 傳統電液伺服作動系統的仿真模型

傳統電液伺服作動系統的仿真模型框圖如圖2所示，給定一條舵面鉸鏈力矩輸入曲線，同時輸入一條作動器活塞桿位置指令信號曲線。指令信號與實際位置反饋信息經過PID調節以后，PID的輸出值傳送給電液伺服閥，電液伺服閥通過調節閥芯的開口大小來調節液壓回路的流量，從而控制作動器活塞桿的運動。活塞桿的運動速率和位置信息輸入給飛機機翼結構和作動器的數學模型，得到作動器活塞桿的實際位置。在液壓輸入端添加壓力和流量傳感器，檢測模型仿真過程中得到的壓力和流量值，根據檢測得到的值就可以計算出傳統電液伺服作動系統在整個仿真過程中的功耗。

1.2 功率電傳作動系統的仿真模型

功率電傳作動系統的仿真模型框圖如圖3所示，給定與傳統電液伺服作動系統仿真相同的舵面鉸鏈力矩輸入曲線，以及相同的作動器活塞桿位置指令信號。活塞桿的位置指令信號與實際位置反饋值經PID調節以后輸入給電壓源，調節電機的電壓。液壓回路通過控制定量泵的轉速來調節液壓回路的流量，從而控制作動器活塞桿的速度和位置。在電壓輸入處添加電壓和電流傳感器，檢測電路中的電壓和電流值，從而可以計算出整個仿真過程中功率電傳作動系統的功耗。

2 結果分析

傳統電液伺服作動系統中作動器活塞桿的運動軌跡見圖4，圖中藍線表示作動器活塞桿的位置指令信號，紅線表示經過PID調節以后，作動器活塞桿的實際運動軌跡。活塞桿由中立位運動到伸出端，保持伸出位置一定時間，然后再從伸出端運動到縮回位置。圖中紅線與藍線基本重合，可以等效的看成作動器活塞桿實際運動與位置指令相符。

傳統電液伺服作動系統的功耗情況見圖5，由于活塞桿實際運動到伸出和縮回位置的時候，有一段超過指令行程的位置，這一段矩離超出了活塞筒的極限行程，所以有一個很大的脈動功耗，該功耗的值約是正常功耗數值的1.5倍。

功率電傳作動系統中，當電機轉動慣量Jr=1kg·m2時作動器活塞桿的運動軌跡如圖6所示，圖中藍線表示作動器活塞桿的位置指令信號，紅線表示經過PID調節以后，作動器活塞桿的實際運動曲軌跡。首先活塞桿由中立位運動到伸出端，保持伸出位置一定時間，然后再從伸出端運動到縮回位置。圖中紅色基本與藍線重合，也就是說作動器活塞桿實際運動與位置指令相符。

功率電傳作動系統中，當電機轉動慣量Jr=1kg·m2時的功耗曲線如圖7所示。當作動器活塞桿運動到伸出和縮回位置的過程中，作動系統功耗較大，最大功耗值達到2.7×105W。當活塞桿保持在伸出和縮回位置時，曲線小幅值抖動。對比圖6和圖7，可以看到作動系統功耗與活塞桿的運動軌跡相對應。

功率電傳作動系統中，當電機轉動慣量Jr=10kg·m2時作動器活塞桿的運動軌跡如圖8所示，圖中藍線表示作動器活塞桿的位置指令信號，紅線表示經過PID調節以后，作動器活塞桿的實際運動曲軌跡。首先活塞桿由中立位運動到伸出端，保持伸出位置一定時間，然后再從伸出端運動到縮回位置。圖中紅色基本與藍線重合，也就是說作動器活塞桿實際運動狀況與位置指令相符。

功率電傳作動系統中，當電機轉動慣量Jr=10kg·m2時的功耗曲線如圖9所示，當作動器活塞桿運動到伸出和縮回位置的過程中，作動系統功耗較大，最大功耗值達到6.4×106W。當活塞桿保持在伸出和縮回位置時，曲線小幅值抖動。對比圖8和圖9，可以看到作動系統功耗與活塞桿的運動軌跡相對應。對比圖7和圖9的功耗結果，可以得到不同電機轉動慣量對作動系統的功耗影響。

3 總結

本文提出了一套用于仿真研究不同作動系統功耗對比的方案，并通過仿真分析傳統架構電液伺服作動系統和功率電傳作動系統的功耗情況，驗證了該方案的可行性。同時本文還通過設置功率電傳作動系統中不同的電機轉動慣量值來模擬參數設置對作動系統功耗結果的影響。

【參考文獻】

[1]Dymola仿真軟件用戶手冊[S].

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[責任編輯：楊玉潔]