基于LMS的某型液壓助力器特性虛擬試驗(yàn)測(cè)試

1、小操縱力的方法已經(jīng)不再適用。 液壓助力器的出現(xiàn)解決了這一難題，采用液壓助力器使舵面操縱力不再直接傳遞給前端的操縱桿，駕駛員只需克服較小的系統(tǒng)阻力，即可輕松操控舵面動(dòng)作，助力器是連接舵面與操縱裝置中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，助力器的穩(wěn)定性直接影響著飛機(jī)的飛行安全，因此助力器必須依照相關(guān)試驗(yàn)要求進(jìn)行產(chǎn)品鑒定試驗(yàn)。解決當(dāng)前液壓助力器動(dòng)靜態(tài)性能的鑒定試驗(yàn)問題、提高試驗(yàn)效率、改進(jìn)試驗(yàn)質(zhì)量的最有效的途徑是通過虛擬仿真技術(shù)，建立液壓助力器動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)的仿真平臺(tái)，為液壓助力器動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工程決策和動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)提供一個(gè)完整的仿真系統(tǒng)?；诖朔抡嫦到y(tǒng)，或稱虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可以完成從試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)驗(yàn)證與優(yōu)化，到虛擬化的動(dòng)靜態(tài)

2、試驗(yàn)在內(nèi)的任務(wù)。物理試驗(yàn)的特點(diǎn)是方法直接、正確可靠， 但周期長、成本高，而虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于效 率高、成本低、能夠得到試驗(yàn)方法無法獲得的信息， 因此虛擬仿真技術(shù)是彌補(bǔ)試驗(yàn)技術(shù)缺點(diǎn) 和局限的最有效方法。本文主要針對(duì)某型飛機(jī)液壓助力器的動(dòng)靜態(tài)特性虛擬測(cè)試進(jìn)行了研究，基于虛擬試驗(yàn)的方法建立了虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，而整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中涉及到機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制，通過三維模型和一維聯(lián)合仿真的方式對(duì)液壓助力器的不同工況進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證液壓助力器特性的有效性和準(zhǔn)確度。1液壓助力器工作原理液壓助力器用于某型飛機(jī)升降舵系統(tǒng)，當(dāng)助力器正常操縱時(shí)，起到放大操縱力的作用， 驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)；當(dāng)液壓系統(tǒng)故障或壓力下降時(shí)，助力器

3、兩腔溝通，當(dāng)做拉桿使用，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急人力操縱。液壓助力器一般有分配機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)組成。分配機(jī)構(gòu)起分配油路和改變滑閥開度作用，同時(shí)還起到功率放大的作用；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)；反饋機(jī)構(gòu)則起到反饋輸出信號(hào)的作用，它比較輸入、輸出信號(hào)，使負(fù)載的位移量能符合操縱指令要求。液壓助力器主要由頭部殼體組件、作動(dòng)筒組件及尾接頭組件等組成，頭部殼體組件主要由滑閥組件、轉(zhuǎn)換活門組件、制動(dòng)器、輸入拉桿組件等組成；作動(dòng)筒組件由活塞組件、分配干組件及外筒等組成，助力器原理圖如圖1所示。液壓系統(tǒng)1進(jìn)油回油液壓系統(tǒng)2進(jìn)油回油一液壓系統(tǒng)1；液壓系統(tǒng)2 J輸入信號(hào)機(jī)械系統(tǒng)信號(hào)液壓信號(hào)_ _1.控

4、制閥2.搖臂輸入3.主控閥4.液壓助力器當(dāng)液壓系統(tǒng)供壓正常時(shí)，圖1液壓助力器原理圖液壓助力器處于助力工作狀態(tài)。兩路油液從進(jìn)油管嘴進(jìn)入， 經(jīng)過濾器后分別進(jìn)入轉(zhuǎn)換活門處，由轉(zhuǎn)換活門自動(dòng)切換，選擇液壓系統(tǒng)給產(chǎn)品供壓。2虛擬試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)模型開發(fā)液壓助力器的開發(fā)主要包括兩大學(xué)科：液壓回路和機(jī)械機(jī)構(gòu)。其中液壓回路主要由轉(zhuǎn)換活門、單向閥、主控閥、液壓作動(dòng)筒等組成。液壓回路的分析主要考慮壓力、流量特性，液 壓回路的元部件開發(fā)主要在西門子LMS Imagine.Lab Amesim （簡(jiǎn)稱Amesim ）軟件進(jìn)行。虛擬試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。3.1機(jī)械系統(tǒng)模型搭建該試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)模型開發(fā)主要借用LMS

5、 Virtual.Lab Motion 平臺(tái)進(jìn)行搭建，主要建模流程由添加構(gòu)件、 添加運(yùn)動(dòng)副、添加力單元、關(guān)鍵部件的柔性化處理等，虛擬試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)如圖3所示。圖3試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)原理圖通過運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)仿真，獲得了機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中參數(shù)變化和響應(yīng)液壓助力器特性的數(shù)據(jù)，并根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行變參數(shù)仿真，提高液壓助力器動(dòng)靜態(tài)特性的改進(jìn)設(shè)計(jì)。3.2液壓系統(tǒng)模型搭建液壓助力器虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的液壓系統(tǒng)主要利用LMS Imag in e.Lab Amesim 平臺(tái)進(jìn)行搭建，通過產(chǎn)品的液壓系統(tǒng)和試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)相結(jié)合形成了整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)的液壓系統(tǒng)如圖4所示。Cj-k- Wld圖4液壓系統(tǒng)原理圖該試驗(yàn)臺(tái)液

6、壓系統(tǒng)主要包括液壓泵、電磁閥、蓄能器、單向閥、伺服油缸等。而在液壓 系統(tǒng)建模過程中，定義液壓油屬性，先開發(fā)液壓系統(tǒng)級(jí)模型，然后再開發(fā)液壓詳細(xì)元件級(jí)模型。液壓系統(tǒng)模型搭建完成后，在子模型模式中根據(jù)實(shí)際情況為每個(gè)模型設(shè)置參數(shù)，使模型得到最優(yōu)。3.3控制系統(tǒng)模型搭建液壓助力器動(dòng)靜態(tài)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)中，試驗(yàn)臺(tái)的輸入信號(hào)模塊包括液壓作動(dòng)系統(tǒng)和控制器兩個(gè)部分。液壓作動(dòng)系統(tǒng)接受來自控制器的電壓信號(hào)，產(chǎn)生激勵(lì)力，驅(qū)動(dòng)被試產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)。液 壓作動(dòng)系統(tǒng)的位移響應(yīng)通過位移傳感器反饋給控制器，構(gòu)成閉環(huán)。其中，將與電信號(hào)相關(guān)的輸入信號(hào)控制系統(tǒng)、功放系統(tǒng)、濾波及放大電路系統(tǒng)統(tǒng)稱為控制器?？刂破鞑糠值慕：头治鲋饕ㄟ^ Matla

7、b/Simulink來實(shí)現(xiàn)。在控制器建模中，模型首先接受來自試驗(yàn)臺(tái)輸入信號(hào)模型中的位移傳感器反饋的位移信 號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行必要的濾波和放大運(yùn)算，然后經(jīng)過濾波之后的信號(hào)與控制器模型中的期望信號(hào)進(jìn)行比較，再經(jīng)虛擬的控制器和功放系統(tǒng)，輸出控制信號(hào)到試驗(yàn)臺(tái)輸入信號(hào)系統(tǒng)，控制圖5控制系統(tǒng)原理圖一.xaBaslEfl Hl相應(yīng)的電液作動(dòng)系統(tǒng)，產(chǎn)生激勵(lì)力，如圖5所示。3聯(lián)合仿真分析由虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可見，虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的完整模型需要將控制模型、電動(dòng)液壓作動(dòng)模型以及機(jī)械模型進(jìn)行無縫集成，因此需要實(shí)現(xiàn)Amesim，LMS、Motion以及Simulink三者的的連接。由于虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)是機(jī)、電、液和控制等

8、多學(xué)科子系統(tǒng)集成的閉 環(huán)系統(tǒng)，因此模型的集成和整合是整個(gè)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)建模中最重要最關(guān)鍵的步驟。主要思想是把 Amesim中建立的液壓回路模型計(jì)算出的液壓力傳遞到Motion中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，Motion機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算出滑閥、作動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移、速度然后再回傳到Amesim模型中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真?；谏鲜鼋⒌母鞣窒到y(tǒng)模型，將各子系統(tǒng)模型集成起來進(jìn)行聯(lián)合仿真即構(gòu)成整個(gè)液壓助力器動(dòng)靜態(tài)特性虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)仿真分析。試驗(yàn)臺(tái)的多體動(dòng)力學(xué)模型與控制模型、液壓作動(dòng)模型以及液壓助力器產(chǎn)品模型集成時(shí)，一方面試驗(yàn)臺(tái)模型將位移響應(yīng)反饋給Simuli nk的控制器模型，與期望的位移進(jìn)行比較，經(jīng)控制運(yùn)算和放大后得到電壓信

9、號(hào)，此電壓信號(hào)進(jìn)一步傳給試驗(yàn)臺(tái)輸入信號(hào)模型，從而產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)力。激勵(lì)力通過軟件之間接口傳遞到Imagine.LabAmesim中，施加在助力器產(chǎn)品模型上，如此構(gòu)成閉環(huán)如圖6所示。圖6液壓助力器虛擬試驗(yàn)臺(tái)聯(lián)合仿真模型4.1試驗(yàn)工況1 （最大輸出力檢測(cè)）液壓助力器最大輸出力主要由系統(tǒng)油壓、助力比和活塞有效作用面積決定，一般來說， 隨著此參數(shù)的增加，助力器的最大輸出力將變大。試驗(yàn)臺(tái)狀態(tài)為不連接剛度模擬器與慣量模 擬器，產(chǎn)品輸出端直接連接負(fù)載作動(dòng)器。該工況試驗(yàn)方法：給產(chǎn)品兩系供額定壓力，給加載力輸出作動(dòng)器緩慢升壓，當(dāng)產(chǎn)品輸出端活塞桿與加載力活塞桿伸出收回速度都為0時(shí)檢測(cè)輸出力，此力即為最大輸出力。產(chǎn)

10、品輸出端活塞桿速度曲線如圖所示，產(chǎn)品輸出力曲線如圖1所示。上JR*也t昭闿？ifJ|Vft| 4 4-|iu訥 0-015 - aoiB -i| Ol OEISi W OlOOI）-QDn -圖8產(chǎn)品輸出力曲線L|LI卜腳t艸*X： Trwbl圖7產(chǎn)品輸出端活塞桿速度曲線4 010 -f 4.- - . - 4 丁 |-accoOJQ從結(jié)果數(shù)據(jù)中得到，在3.0s時(shí)產(chǎn)品輸出端活塞桿速度降為0,此時(shí)產(chǎn)品輸出力達(dá)到最大值為 17921N。4.2試驗(yàn)工況2 （最大速度檢測(cè)）試驗(yàn)臺(tái)為空載狀態(tài)，不連接剛度模擬器、慣量模擬器和負(fù)載作動(dòng)器，只連接產(chǎn)品操縱端 作動(dòng)器。給產(chǎn)品供額定壓力， 在操縱力輸出作動(dòng)器施加操

11、縱力，測(cè)量產(chǎn)品活塞桿伸出收回速度。點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果界面如圖9所示。命令為40mm階躍信號(hào)，在040mm運(yùn)動(dòng)過程中的產(chǎn)品輸出端活塞桿速度曲線如圖9最大速度檢測(cè)虛擬試驗(yàn)結(jié)果顯示界面圖所示。從結(jié)果數(shù)據(jù)中得到，產(chǎn)品輸出端活塞桿速度最大值為88.9mm/s。Tami1$ rSMRs1ST 5-AHA1H0 Nr% 強(qiáng) mtQ fTIT*事1fJlS1 rs WF*圖9最大速度檢測(cè)虛擬試驗(yàn)結(jié)果顯示界面圖10產(chǎn)品輸岀端活塞桿速度曲線4.3試驗(yàn)工況3 （頻率特性動(dòng)態(tài)檢測(cè)）助力器兩腔同時(shí)供額定壓力， 在操縱端作動(dòng)器加幅值為 戈mm、頻率為3Hz的周期信號(hào)，測(cè)量助力器產(chǎn)品輸出活塞桿位移。向操縱力輸出作動(dòng)器輸入閉環(huán)正弦控制信號(hào)，結(jié)果得到操縱端位移傳感器和活塞桿位移傳感器結(jié)果曲線如圖11所示，結(jié)果顯示在 3Hz時(shí)助力器相位滯后23.8度。由幅值為i2mm的頻率響應(yīng)分析物理試驗(yàn)結(jié)果可以得到，操縱端位移和活塞 桿位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖 12所示。Pm | NW* VITEM葉.HU如*i&理唄*叩咄晦ErTEM T1W TRtm.電弋蛋拿申p圖11操縱端位移傳感器和活塞桿位移傳感器結(jié)果曲線2 5圖12操縱端位移和活塞桿位移物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化分析，可以得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線，分析物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，活塞桿位移幅