空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)與研究

2008年11月第36卷第11期機(jī)床與液壓MACHINETOOL&HYDRAULICSNov12008Vol136No111空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)與研究常同立1,2(11東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱150040;21哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱150001)摘要:針對空間對接半物理仿真系統(tǒng)電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)問題進(jìn)行研究,建立了接觸碰撞半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。從分析空間對接半物理仿真系統(tǒng)建構(gòu)問題和對接機(jī)構(gòu)的特性入手,提出了運(yùn)動(dòng)模擬器電液伺服作動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求。通過對電液伺服作動(dòng)器動(dòng)力機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型展開分析,提出減小電液伺服作動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性相對負(fù)載剛度變化的靈敏度的設(shè)計(jì)方法,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。關(guān)鍵詞:電液伺服作動(dòng)器;液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì);空間對接;半物理仿真中圖分類號:V526;H137文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:-(2008)-ResearchonElectro2hydraulicServo22the2LoopSimulaing(11CollegeNortheastForestryUniversity,Harbin150040,China;21Engineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Keywords:Electro2hydraulicservoactuator;Hydraulicsystemdesign;On2orbitdocking;HILsimulation20引言空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真(HILsimulation,Hardware2in2the2Loopsimulation)系統(tǒng)主要用于地面上[1]高精度再現(xiàn)飛行器空間對接的動(dòng)態(tài)過程,是研究空間飛行器對接動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵設(shè)備。我國載人航天和探月工程等急需建立半物理仿真系統(tǒng),在地面上開展飛行器空間對接動(dòng)力學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)研究。電液伺服作動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、剛度大和驅(qū)動(dòng)能力大。在用于載人航天空間飛行器對接動(dòng)力學(xué)研究的大型半物理仿真系統(tǒng)中,考慮到對接機(jī)構(gòu)質(zhì)量較大,半物理仿真系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模擬器都采用電液[1,2]伺服控制作動(dòng)器。在研究航天飛機(jī)空間?？坎僮鲃?dòng)力學(xué)半物理仿真時(shí),文獻(xiàn)[1]對液壓伺服作動(dòng)器建立了七階動(dòng)力學(xué)模型?？梢婋娨核欧鲃?dòng)器的動(dòng)態(tài)特性對半物理仿真系統(tǒng)的建構(gòu)影響非常大。文獻(xiàn)[2]探討了對接機(jī)構(gòu)參數(shù)變化對空間對接半物理仿真的電液伺服作動(dòng)器的性能影響。針對空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真應(yīng)用,本文作者探討了電液伺服作動(dòng)器的設(shè)計(jì)問題,并為此建立了接觸碰撞半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng);分析了該系統(tǒng)對電液伺服作動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求;推導(dǎo)了電液伺服作動(dòng)器的設(shè)計(jì)依據(jù);采用實(shí)驗(yàn)對其效果進(jìn)行了驗(yàn)證。1接觸碰撞半物理仿真系統(tǒng)1—力傳感器2—?jiǎng)傂宰矒裘?—碰撞彈簧4—Stewart平臺5—液壓作動(dòng)器圖1單自由度空間對接半物理仿真系統(tǒng)模型飛行器空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)是多輸入收稿日期:2008-06-25作者簡介:常同立(1968—),男,陜西華縣人,博士,設(shè)計(jì)師,主要從事電液伺服控制、半物理仿真系統(tǒng)建構(gòu)、空間對接52機(jī)床與液壓[5]第36卷多輸出混合系統(tǒng);被試物理硬件具有較強(qiáng)的耦合和非[6]線性,使得在原半物理仿真系統(tǒng)(多輸入多輸出系統(tǒng))上,分析與綜合空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真[1]系統(tǒng)都是困難的。為了探討空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)的電液伺服作動(dòng)器的設(shè)計(jì)問題,本文作者建立了接觸碰撞半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng),如圖1所示。它是空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)的簡化模型。被仿真對象相應(yīng)簡化為單自由度飛行器接觸碰撞問題,其模型如圖2所示,它描述了質(zhì)點(diǎn)飛行器模型的接觸碰撞動(dòng)力學(xué)特性。,定義碰撞初始狀態(tài)為追蹤飛行器上的對接機(jī)構(gòu)與目標(biāo)飛行器發(fā)生接觸,但對接機(jī)構(gòu)尚未受力時(shí),兩飛行器的位置狀態(tài)。x1和x2分別為兩飛行器相對于碰撞初始狀態(tài)的位移。以追蹤飛行器為參照,定義x為目標(biāo)飛行器相對于追蹤飛行器的相對位移,則x=x2-x1(1)忽略對接機(jī)構(gòu)阻尼,單自由度對接機(jī)構(gòu)可用下面數(shù)學(xué)方程描述,K為對接機(jī)構(gòu)剛度。-Kxx≥0(2)F0x<0經(jīng)過推導(dǎo),在真空無重力條件下,在對接機(jī)構(gòu)作用力和反作用力驅(qū)動(dòng)下,兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)飛行器模型的動(dòng)力學(xué)模型可寫作:¨x=F/[m1m2/(m1+m2)]口(simulation/hardwareinterface)頻率響應(yīng)比較高;另一方面要求仿真/硬件接口相對負(fù)載(對接機(jī)構(gòu))剛度變化的靈敏度比較小。依據(jù)文獻(xiàn)[1]提出的空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)的建構(gòu)思想與方法。前置濾波器與反饋控制器構(gòu)成二自由度控制結(jié)構(gòu)(two2degree2of2freedomcontrol[1]structure)。針對空間對接半物理仿真系統(tǒng)建構(gòu)問題,在二自由度控制結(jié)構(gòu)中,。/硬件接。前置濾波器補(bǔ)[5]償方法可行的前提條件是在半物理仿真頻帶內(nèi),仿真/硬件接口的動(dòng)態(tài)特性相對于負(fù)載剛度等因素變化的靈敏度比較小。仿真/硬件接口主要由力與力矩傳感器、運(yùn)動(dòng)模擬器及其數(shù)字控制系統(tǒng)等組成。運(yùn)動(dòng)模擬器主要由固定支架、電液伺服控制的Stewart平臺等構(gòu)成。電液伺服作動(dòng)器是仿真/硬件接口的重要組成部分,而且是對仿真/硬件接口動(dòng)態(tài)特性影響較大的部分。由于對接機(jī)構(gòu)的等效剛度會改變電液伺服作動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性,因此電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)問題顯得尤為重要。3電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)電液伺服作動(dòng)器是四通閥控對稱液壓缸系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性受負(fù)載剛度變化因素影響發(fā)生變化。依據(jù)文獻(xiàn)[6],液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)可寫作:=Xv(s)KAp2s4βeAp(3)在接觸碰撞半物理仿真系統(tǒng)中,用于實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)仿真的數(shù)學(xué)模型的動(dòng)力學(xué)模型可用公式(3)表示;被試物理硬件采用剛度已知的碰撞彈簧。2半物理仿真系統(tǒng)對電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)要求在空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)中,以及在被仿真對象系統(tǒng)中,對接機(jī)構(gòu)是相同的,且都是以物理硬件形式出現(xiàn)的。因此可以從分析對接機(jī)構(gòu)入手,研究空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)建構(gòu)對電液伺服作動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求。實(shí)際對接機(jī)構(gòu)的剛度特性是本質(zhì)非線性的,對接機(jī)構(gòu)等效剛度大致可劃分為接觸碰撞剛度和緩沖剛6度。接觸碰撞剛度較大,接近1×10N/m;對接機(jī)構(gòu)的緩沖剛度低于接觸碰撞剛度,但是它是大范圍變化的。對接機(jī)構(gòu)的特性情況,一方面要求仿真/硬件接VtMt3MtKceApBpVt4βeA2s2KVt4βeApBpKceApsKKceAp(4)這里使用的符號及其含義與文獻(xiàn)[6]相同。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)的分母項(xiàng)中包含負(fù)載剛度,明顯說明液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性與負(fù)載剛度有密切關(guān)系。針對空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)建構(gòu)問題,可以做的工作是研究如何通過設(shè)計(jì)電液伺服作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù),弱化液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性與負(fù)載剛度的關(guān)系。在空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真問題中,對接機(jī)構(gòu)阻尼相對較小。因此,電液伺服作動(dòng)器的負(fù)載粘性阻尼小,滿足BpKce/Ap<<1。第11期常同立:空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)與研究53當(dāng)滿足公式(5)時(shí),[(KcetK)/(Ap(1+K/Kh))]<<122(5)可以增大電液伺服作動(dòng)器的有效受壓面積,使之滿足公式(6)。K/Kh<<12系統(tǒng)模擬空間飛行器碰撞動(dòng)力學(xué)過程的逼真度,進(jìn)而驗(yàn)證半物理仿真系統(tǒng)滯后補(bǔ)償器的補(bǔ)償作用是否有效。表1試驗(yàn)系統(tǒng)部分參數(shù)符號ddaradbl2S(6)名稱上鉸圓半徑上鉸點(diǎn)短邊間距下鉸圓半徑下鉸點(diǎn)短邊間距值(單位)2(m)0126(m)3(m)015(m)415(m)2(m)20102(m)β式中:Kh為液壓彈簧剛度,Kh=4eAp/Vt。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)可以寫作公式(7)。Kq=Xv(s)ζKce2hs1+s+2++2ωoKωoAp2(7)式中:ωo為綜合固有頻率,ωo=ωhζo為綜合阻尼比,ζo+K/Kh;4βBpeceω2Mot/(1h)2ωh(eAp/Vt/Mt。,電液伺服作動(dòng)器,間延遲進(jìn)行補(bǔ)償,需要穩(wěn)定傳遞函數(shù)(7)在s域上的極點(diǎn)位置。穩(wěn)定傳遞函數(shù)(7)的極點(diǎn)位置的條件如下:,滯后補(bǔ)償器保持不變,實(shí)驗(yàn)結(jié):當(dāng)負(fù)載剛度變化時(shí),電液伺服作動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性變化是否較小,間接驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法。忽略阻尼條件下,圖2所示模型的速度恢復(fù)系數(shù)是1,接觸時(shí)間用式(10)計(jì)算。T=π/4(m1+m2)K/m1m2(10)Ap>>2KceK(8)(9)βAp/Vt>>K/(4e)空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)的電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)方法是:以對接機(jī)構(gòu)最大接觸剛度K為依據(jù),設(shè)計(jì)電液伺服缸的有效作用面積Ap和受壓容腔Vt,使之滿足公式(8)和公式(9)。從公式(8)和公式(9)可以看出:較小的總的流量-壓力系數(shù)Kce和較大的油液體積彈性模數(shù)βe會有利于減小液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性變化。液壓系統(tǒng)泄漏增加會使電液伺服作動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性相對于負(fù)載剛度的靈敏度增大;而對電液伺服系統(tǒng)的工作介質(zhì)采用抽真空技術(shù),可以提高工作介質(zhì)的體積模量,降低運(yùn)動(dòng)模擬器動(dòng)態(tài)特性相對負(fù)載剛度變化靈敏度。綜上所述,在空間對接半物理仿真問題中,液壓缸有效受壓面積作為液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù),其設(shè)計(jì)需要考慮3個(gè)方面情況:首先是需要滿足電液伺服作動(dòng)器的功率指標(biāo);其次是需要滿足電液伺服作動(dòng)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度指標(biāo);除此之外,還要考慮減小電液伺度作動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性對于對接機(jī)構(gòu)剛度變化的靈敏度,為半物理仿真系統(tǒng)建構(gòu)創(chuàng)造條件。4試驗(yàn)研究接觸碰撞半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1,基本結(jié)構(gòu)形式見圖1。改變被試物理硬件(碰撞彈簧)的參數(shù),進(jìn)行碰撞接觸力測試和速度測試。通過計(jì)算碰撞速度恢復(fù)系數(shù)和接觸時(shí)間,可以評價(jià)接觸碰撞半物理仿真當(dāng)碰撞彈簧剛度(對接機(jī)構(gòu)剛度)K為9144×10N/m時(shí),選取飛行器質(zhì)量為m1=m2=1597kg,初始碰撞速度為v21=0104m/s。試驗(yàn)曲線如圖3、4所示,測試結(jié)果:速度恢復(fù)系數(shù)為01992,接觸時(shí)間為01290s。4當(dāng)碰撞彈簧剛度K為3154×10N/m時(shí),選取飛行器質(zhì)量為m1=m2=32423kg,初始碰撞速度為v21=0102m/s。試驗(yàn)曲線如圖5、6所示,測試結(jié)果:速度恢復(fù)系數(shù)為01985,接觸時(shí)間為21140s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:當(dāng)被試物理硬件剛度變化時(shí),接觸碰撞半物理仿真系統(tǒng)具有較高的逼真度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明上述有關(guān)空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)電液伺服作動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法是可行的。5結(jié)論本文作者從分析了空間對接半物理仿真系統(tǒng)建構(gòu)(下轉(zhuǎn)第57頁)第11期唐珠創(chuàng)等:熱通道幕墻進(jìn)出風(fēng)口局部阻力系數(shù)實(shí)測與分析57序,輸入幕墻幾何尺寸:b、Δ、h、A1、A2、A3、A4。輸入軟件系統(tǒng)。將熱力學(xué)系數(shù)Cp、χ、αe、αi、Kw1、ξKw2、i輸入軟件系統(tǒng)。將流體力學(xué)參數(shù)和物理量ζ1、ζρ、φ2、φ3、φ4輸入軟件系統(tǒng)。3、層流流動(dòng)α=2。有限單元?jiǎng)澐挚梢愿鶕?jù)需要確定,為了與實(shí)驗(yàn)值對比作如下劃分:截面0-0～1-1為第1單元;截面1-1～2-2為第2單元;截面2-2～3-3分為3單元;截面3-3～4-4為第6單元。經(jīng)過HWFACS(第二版)計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果見表1。算例計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較見表2。表1ModeⅠRQ2CL計(jì)算速度與壓力值報(bào)表單元段0-11-22-33-44-55-66-7的應(yīng)用[J].工程建筑與設(shè)計(jì),2003(9):5-7.【2】于浩峰.雙層幕墻通道內(nèi)空氣流動(dòng)的CFD計(jì)算及分析[J].門窗幕墻信息,2004(8):10-11.【3】陳海,姜清海,郭金基,等.雙層通風(fēng)幕墻熱氣流有限分析計(jì)算方法的研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,44(1):34-37.【4】姜清海,郭金基,陳海,等.雙層幕墻強(qiáng)迫送風(fēng)有限分析方法的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究[J].廣東土木與建筑,2004(11):9-11.【5】陳海,毛伙南,郭金基,等.].,2005(11):.速度ui/(m?s-1)壓力i/Pa表2ModeⅠRQ2CL計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對比AiA2A11計(jì)算值ui-1/(m?s)實(shí)驗(yàn)值ui-1)/(m?s計(jì)算值pi/Pa0116001201實(shí)驗(yàn)值pi/Pa011701208()問題和對接機(jī)構(gòu)的特性入手,指出了運(yùn)動(dòng)模擬器電液伺服作動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求。針對空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真問題,電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是減小電液伺服作動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性對于對接機(jī)構(gòu)變剛度的靈敏度。本文作者給出電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)研究結(jié)果表明:本文作者提出的空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)的電液伺服作動(dòng)器設(shè)計(jì)方法是可行的。參考文獻(xiàn)【1】常同立.空間對接動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007:1-52.【2】SAnanthakrishnan,RTeders,KAlder.Roleofestima2tioninreal2timecontactdynamicsenhancementofspacestationengineeringfacility[J].mation,1996(5):20-27.IEEERobotics&Auto201114011870111601194本實(shí)驗(yàn)值由中山大學(xué)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心提供。用ModeⅠRQ2CL計(jì)算軟件計(jì)算得到的速度與實(shí)驗(yàn)值比較最大誤差分別為1172%、3161%;計(jì)算得到的壓力與實(shí)驗(yàn)值比較最大的誤差分別為5188%、3137%,兩者結(jié)果十分接近。本文作者進(jìn)行了熱通道幕墻多種進(jìn)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)的模型測試,實(shí)測氣流出、入口及雙層幕墻通道的擴(kuò)散,收縮段的阻力系數(shù)。在一維、定常流動(dòng)和不可壓縮條件下,建立貝努里能量方程和連續(xù)性方程,分成有限單元段尋求局部解析解和全局?jǐn)?shù)值解,編制計(jì)算機(jī)程序,開發(fā)HWFACS(第二版)ModeⅠ系列2個(gè)模塊,從算例的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本相符,結(jié)果可靠。熱通道幕墻在溫差作用產(chǎn)生熱氣流或者在強(qiáng)迫送風(fēng)與熱氣流共同流動(dòng)情況下,仍可用一維