飛機(jī)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)建模及分析探究

何歡

（中航飛機(jī)股份有限公司，陜西 西安 710089）

伺服系統(tǒng)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)一類，控制被控對(duì)象的某種狀態(tài)使其能自動(dòng)、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。應(yīng)用廣泛，主要包括各種速度控制、力控制、位置控制和運(yùn)動(dòng)軌跡控制。飛機(jī)舵面操縱常采用位置控制產(chǎn)生期望的力和力矩。本文探究作動(dòng)系統(tǒng)為電液驅(qū)動(dòng)位置伺服作動(dòng)系統(tǒng)，采用電信號(hào)輸入、液壓動(dòng)力輸出方式，接入動(dòng)力源的功率輸入，根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)的指令，按照規(guī)定的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)舵面的控制，為穩(wěn)定和控制飛行器提供需要的力和力矩。

1 伺服作動(dòng)系統(tǒng)的具體組成

伺服作動(dòng)系統(tǒng)典型構(gòu)成如圖1 所示，主要包含控制器和作動(dòng)器兩部分。其中伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換裝置，是作動(dòng)器的核心機(jī)構(gòu)。其原理在于接收電流指令，使擋板偏轉(zhuǎn)，節(jié)流面積差使液壓放大器橋路不平衡，在閥芯上產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥口開(kāi)啟，產(chǎn)生輸出流量正比于閥芯位移，而反饋彈簧產(chǎn)生反饋力抵制輸入力，當(dāng)反饋力等于輸入力，閥芯運(yùn)動(dòng)停止。

圖1 典型的作動(dòng)系統(tǒng)

2 伺服作動(dòng)系統(tǒng)建模

對(duì)作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，從物理原理的角度進(jìn)行分析，依次以作動(dòng)筒、作動(dòng)桿為對(duì)象建立牛頓第二定律方程；對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)換、放大和反饋環(huán)節(jié)建立方程；建立流量連續(xù)方程。同時(shí)，考慮系統(tǒng)剛度對(duì)系統(tǒng)建模和建模方程產(chǎn)生的影響，依次建立忽略剛度雙作動(dòng)系統(tǒng)、考慮剛度的單作動(dòng)系統(tǒng)和考慮剛度的雙作動(dòng)系統(tǒng)。

2.1 電液系統(tǒng)閉環(huán)方程

（1）系統(tǒng)輸入指令誤差。位移傳感器反饋電壓與輸入電壓進(jìn)行比較，成為輸入指令誤差。其中為作動(dòng)系統(tǒng)輸入電壓，為線位移傳感器反饋電壓，e 為作動(dòng)系統(tǒng)伺服放大電壓。

（2）伺服放大環(huán)節(jié)。伺服放大環(huán)節(jié)作用在于將伺服放大電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為伺服閥所需電流信號(hào)。通過(guò)電流信號(hào)的變化，改變閥內(nèi)磁鐵的位置進(jìn)而改變流量。其中為伺服放大輸出電流，為伺服放大增益。

（3）滑閥流量方程。當(dāng)伺服閥頻寬遠(yuǎn)大于液壓固有頻率（5 ～10 倍）時(shí)，伺服閥可看作比例環(huán)節(jié)；當(dāng)伺服閥頻寬大于液壓固有頻率（3 ～5 倍）時(shí)，可將電液伺服閥看作慣性環(huán)節(jié)。

（4）液壓缸流量連續(xù)性方程。由液壓缸特性，流入作動(dòng)筒的流量用來(lái)推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)償內(nèi)/外泄露流量和補(bǔ)償油液壓縮和腔體變形所需流量。

（5）位移傳感器反饋方程。位移傳感器用來(lái)測(cè)量作動(dòng)筒和作動(dòng)桿相對(duì)位移，并將差值以電壓信號(hào)形式進(jìn)行反饋。其中為位移傳感器反饋系數(shù)。

2.2 忽略剛度的雙作動(dòng)系統(tǒng)建模

2.3 考慮剛度的單作動(dòng)系統(tǒng)建模

2.4 考慮剛度的雙作動(dòng)系統(tǒng)建模

3 伺服作動(dòng)系統(tǒng)分析

3.1 參數(shù)仿真

對(duì)上述方程進(jìn)行拉氏變換，在Simulink 中搭建考慮剛度的雙作動(dòng)系統(tǒng)模型框圖，如圖2。帶入一組舵機(jī)參數(shù)后，可得到仿真曲線結(jié)果。

圖2 考慮剛度的雙作動(dòng)系統(tǒng)框圖

3.2 誤差分析

伺服作動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差由輸入信號(hào)、外擾負(fù)載力和內(nèi)擾引起。由跟隨誤差計(jì)算可知，系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)時(shí)跟隨誤差為0。負(fù)載誤差e 為：

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)飛機(jī)電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模仿真和分析，不同的物理結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)有不同的數(shù)學(xué)方程。在后續(xù)舵機(jī)設(shè)計(jì)和選型的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)剛度、作動(dòng)器安裝方式和安裝位置對(duì)伺服作動(dòng)的影響需要考慮在內(nèi)。結(jié)構(gòu)剛度過(guò)小將破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性，作動(dòng)器位置會(huì)影響負(fù)載力的變化情況。為了減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差以實(shí)現(xiàn)精確控制，有必要增大整個(gè)系統(tǒng)增益。仿真圖如圖3。

圖3 考慮剛度雙作動(dòng)系統(tǒng)仿真圖