高速沖擊試驗機液壓控制系統研究

張日新，王野牧，劉 帥

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

船艦及其艦用設備抗沖擊能力是衡量船艦生命力和戰斗力的重要指標。世界各海軍強國對重要船艦設備抗沖擊能力考核方法進行了廣泛深入的研究，主要的試驗手段是沖擊試驗。目前，我國海軍迫切需要在抗沖擊性能考核評估手段方面接近或達到國外先進水平，且能夠準確模擬高速沖擊的試驗機[1-3]。因此，本文對高速沖擊試驗機液壓控制系統進行了設計與研究。

1 高速沖擊試驗機液壓系統組成及原理

高速沖擊試驗機液壓系統主要由沖擊系統和制動系統兩部分組成，如圖1所示。高速沖擊試驗機通過上試驗臺與下沖擊臺的高速撞擊來模擬艦艇所受沖擊，為確保試驗臺與沖擊臺撞擊后有較大的速度改變量，即加速度，必須保證二者在有限時間內達到規定速度[4]。采用電機泵組加蓄能器作為動力源，伺服閥直接驅動伺服油缸，并通過閉環位置控制的方式確保沖擊臺在短時間內達到規定速度。在試驗臺上固定兩根彈力繩保證試驗臺有足夠的初速度，確保試驗臺也能達到規定速度。為避免試驗臺與沖擊臺撞擊后產生二次碰撞，使用比例閥直接驅動制動油缸，瞬間鎖緊工作臺，此過程屬開關量控制不是本文研究重點。

1-電機泵組；2-單向閥；3-壓力管路過濾器；4-截止閥；5-皮囊式蓄能器；6-壓力表；7-溢流閥；8-兩位兩通電磁換向閥；9-比例伺服閥；10-制動油缸；11-活塞式蓄能器；12-提升油缸；13-行程開關；14-疊加式雙單向節流閥；15-疊加式減壓閥；16-三位四通電磁換向閥；17-三級伺服閥；18-可調阻尼孔；19-伺服油缸；20-風式冷卻器；21-回油過濾器

根據實際工況需要，沖擊試驗機技術指標如下:

(1) 沖擊臺在250 ms內速度達到4.137 m/s，并在之后的50 ms內保持勻速。

(2) 沖擊臺與試驗臺撞擊后，沖擊加速度可達1 200g。

2 高速沖擊試驗機液壓控制系統模型建立

2.1 伺服閥模型建立

沖擊試驗機選擇的伺服閥為MOOG公司D663系列D663-P03HAMF4NSD2-O型三級電液伺服閥。閥芯滿行程響應時間為13 ms，閥芯行程越短，響應時間越短；當閥兩端壓降為106Pa時，額定空載流量為350 L/min。為準確模擬三級電液伺服閥特性，在AMESim軟件中建立的三級電液伺服閥模型如圖2所示，模型中伺服閥主要參數如表1所示。使用AMESim軟件繪制出該閥的特性曲線，如圖3、圖4所示，經對比與閥樣本給出的曲線高度吻合。

1-先導油口；2-節流口；3-噴嘴；4-擋板；5-力矩馬達；6-校正；7-輸入信號；8-先導閥；9-主功率滑閥；10-位移傳感器

表1 三級電液伺服閥參數

由于三級電液伺服閥在AMESim 中所占面積較大，影響后續建模，在之后的仿真中將該閥做成超元件。

2.2 閉環位置控制系統模型建立

高速沖擊試驗機閉環位置控制系統包括前饋補償控制、傳統PID閉環位置控制和加速度校正控制三部分，其系統框圖如圖5所示。前饋控制策略是通過控制器提前生成目標曲線，控制伺服油缸跟隨目標曲線運動，在PID未刷新控制信號前，提前計算出目標速度及加速度，不需等待PID對偏差信號處理，直接將控制信號輸出至伺服油缸，可有效提高控制精度和系統響應，但可能會造成震蕩，于是引入加速度校正，增大系統阻尼比，使沖擊系統具有更好的控制效果[5，6]。

圖5 高速沖擊試驗機閉環位置控制系統框圖

搭建的高速沖擊試驗機沖擊系統仿真模型如圖6所示。閉環位置控制系統為閥控缸系統，將圖6中的彈簧墊12和試驗臺13去除就構成了閥控缸系統模型。

1-控制信號；2-油液元件；3-加速度前饋；4-速度前饋；5-PID；6-管接頭；7-阻尼孔；8-伺服油缸；9-沖擊臺；10-加速度傳感器；11-位移傳感器；12-彈簧墊；13-試驗臺；14-三級電液伺服閥；15-蓄能器組；16-電機泵組；17-溢流閥

3 高速沖擊試驗機液壓控制系統仿真分析

設定液壓系統各元件參數并進行仿真，液壓系統主要元件參數如表2所示。

表2 液壓系統主要元件參數

根據設計指標需控制沖擊臺運動速度，故先不考慮試驗臺與沖擊臺的撞擊，只仿真閉環位置控制系統，采用Ziegler-Nichols法[7]確定出最優PID參數：比例系數為0.025，積分系數為0.05，微分系數為0。沖擊臺在不同算法下的位移、速度曲線分別如圖7、圖8所示，0.25 s～0.3 s的速度曲線放大如圖9所示。

圖7 沖擊臺在不同算法下的位移曲線

由圖7可看出：采用經典PID控制的系統，滯后較大，穩定性較差，在0.3 s后出現震蕩，且跟蹤效果不佳；而采用復合控制的系統，響應略快且穩定性更好。由圖8、圖9可看出：采用PID控制的系統速度波動較大，速度誤差較大；而采用復合速度控制的系統，速度誤差小、波動小，且無震蕩。因此，復合控制與傳統PID控制相比，具有更好的控制效果。

對整個沖擊系統進行仿真，沖擊臺與試驗臺撞擊后的沖擊加速度曲線如圖10所示。由圖10可看出:最大沖擊加速度為12 086 m/s2，約為1 209g，符合設計指標要求。但在實際設備中，仍會存在一些非線性因素導致誤差加大，綜合仿真結果來看，研究的高速沖擊試驗機液壓控制系統有能力達到預期控制指標。

4 結論

(1) 根據沖擊試驗標準，對沖擊加速度可達1 200g的高速沖擊試驗機液壓控制系統進行了設計與研究。

(2) 采用蓄能器儲存并瞬間釋放能量的方式，使系統在短時間內受到瞬態激勵，導致位置、速度和加速度瞬間發生變化，可模擬出準確的正波沖擊。

(3) 與傳統PID控制相比，高速沖擊試驗機液壓控制系統采用PID閉環控制、速度前饋控制、加速度前饋控制及加速度校正復合控制可達到更好的控制效果。