Ch20第六章飛行動力模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

機(jī)械電子學(xué)第六章飛行動力訓(xùn)練地面模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)械工程及其自動化系孔令飛副教授26.5.1轉(zhuǎn)速控制簡介本章介紹飛行動力訓(xùn)練地面模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，建立該系統(tǒng)的目的是要在地面上操縱飛機(jī)的飛行動力訓(xùn)練系統(tǒng)，模擬飛機(jī)在空中飛行時(shí)的各種動作。飛機(jī)發(fā)動機(jī)的性能是表征飛機(jī)性能的關(guān)鍵。眾所周知，飛機(jī)的飛行條件是在不斷地變化的，這就要求發(fā)動機(jī)提供的推力也能隨之變化，因此，要求飛機(jī)動力裝置具有對推力的控制和調(diào)節(jié)功能，以滿足飛機(jī)的實(shí)際需要。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是表征發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的最主要參數(shù)。理論和實(shí)驗(yàn)表明，飛機(jī)發(fā)動機(jī)的推力與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，同時(shí)轉(zhuǎn)速又是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動部件強(qiáng)度安全的主要指標(biāo)。3轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的任務(wù)(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)：駕駛員給定一個(gè)轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器會隨飛行條件的變化而自動地改變供油量，始終保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。(2)加速控制：發(fā)動機(jī)由慢車（小轉(zhuǎn)速）到大轉(zhuǎn)速的加速過程受壓氣機(jī)喘振及渦輪前溫度限制，加速控制的目的是使供油量隨轉(zhuǎn)速按一定規(guī)律變化。(3)減速控制：收油門時(shí)，減油不能太猛，否則會導(dǎo)致燃燒室貧油而熄火。減速控制是使供油量的減少隨轉(zhuǎn)速按一定規(guī)律變化。(4)慢車控制：使慢車供油量隨飛行高度按一定的規(guī)律變化，從而使慢車轉(zhuǎn)速隨飛行高度的升高而加大，但又不超過最大轉(zhuǎn)速。(5)工作環(huán)境：不同的氣候和不同的飛行高度、飛行速度對發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)有一定的影響，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速是由發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境和供油量共同決定的。(6)負(fù)載干擾：作為飛機(jī)發(fā)動機(jī)的負(fù)載，在操作舵機(jī)系統(tǒng)時(shí)對發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生沖擊性的干擾，此時(shí)應(yīng)控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。46.5.2初步設(shè)計(jì)對于飛機(jī)動力系統(tǒng)的研究，一般采用兩種方法進(jìn)行地面開車，使飛機(jī)發(fā)動機(jī)處于不同的工作狀態(tài)，然后檢查、調(diào)試有關(guān)機(jī)載系統(tǒng)（看作發(fā)動機(jī)負(fù)載）的性能；使用各自獨(dú)立的試驗(yàn)臺（如油泵試驗(yàn)臺、電源試驗(yàn)臺等），將機(jī)載系統(tǒng)拆下，分別進(jìn)行檢測和調(diào)整。存在的主要問題是：經(jīng)濟(jì)性差、安全性小、局限性大。前一種方法要消耗大量的燃油和發(fā)動機(jī)壽命，不安全、風(fēng)險(xiǎn)大，而且只能使發(fā)動機(jī)處于地面的低速條件下工作，檢測的結(jié)果不準(zhǔn)確，具有很大的局限性；后一種方法由于使用各自獨(dú)立的試驗(yàn)臺，經(jīng)濟(jì)性、利用率都不高，而且目前實(shí)際使用的各種無級調(diào)速（或分級調(diào)速）試驗(yàn)臺不能滿足模擬飛機(jī)高速、高空飛行的條件，不能模擬油門或負(fù)載變化后發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的過程。5模擬系統(tǒng)應(yīng)具備的功能(1)能在大范圍內(nèi)（10000r/min）快速地實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；(2)具有足夠的功率輸出。除能測試多種類型飛機(jī)發(fā)動機(jī)的主泵、加力泵及多種航空發(fā)電機(jī)之外，還要求有較大的功率儲備。(3)能夠在解算發(fā)動機(jī)動力學(xué)方程組的基礎(chǔ)上，對其轉(zhuǎn)速的動態(tài)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。(4)能夠根據(jù)飛行高度、飛行速度等參數(shù)的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，為計(jì)算機(jī)提供解算發(fā)動機(jī)動力學(xué)方程組所必須的數(shù)據(jù)，為被測機(jī)載系統(tǒng)建立與飛行實(shí)際情況相吻合的條件提供必需的物理量。(5)綜合化、自動化程度高。能夠測試主燃料泵、加力燃料泵、主液壓泵、交直流發(fā)電機(jī)等附件的性能。(6)系統(tǒng)具備相應(yīng)的安全設(shè)備、監(jiān)視設(shè)備和記錄設(shè)備等。(7)模擬駕駛：在地面建立一個(gè)與實(shí)際飛行訓(xùn)練近似的模擬操作環(huán)境。6系統(tǒng)方案的選擇從機(jī)械電子工程的觀點(diǎn)出發(fā)，基于科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性兼顧的原則，在進(jìn)行廣泛的調(diào)查研究之后，初步考慮這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)為半物理模擬（或稱仿真）系統(tǒng)，即對飛機(jī)發(fā)動機(jī)主機(jī)的工作過程通過計(jì)算機(jī)解算其動力學(xué)方程，進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真；對發(fā)動機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速及由輸出軸帶動的機(jī)載燃料系統(tǒng)（如燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電源系統(tǒng)）的工作過程，則通過實(shí)物進(jìn)行物理仿真。這樣，便可在飛機(jī)不升空、不開車的條件下，對燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等的工作情況進(jìn)行在線的測量、辨識和調(diào)整。這種系統(tǒng)方案的優(yōu)點(diǎn)在于提高了模擬系統(tǒng)的真實(shí)性、直觀性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和通用性。7物理裝置的選擇在基于半物理仿真系統(tǒng)方案構(gòu)想的發(fā)動機(jī)模擬系統(tǒng)中，物理仿真部分構(gòu)成了轉(zhuǎn)速仿真子系統(tǒng)，整個(gè)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)主要集中在這一部分。過去曾有過采用電機(jī)來模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的方案。根據(jù)某模擬臺測試報(bào)告，在接通大功率負(fù)載時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降大約8%~10%，這與實(shí)際情況有很大的差別。而且，隨著要求系統(tǒng)輸出功率的增大，其自身的慣性也必然加大，其響應(yīng)速度跟不上系統(tǒng)快速的要求。另一方面，發(fā)動機(jī)地面模擬系統(tǒng)要求真實(shí)復(fù)現(xiàn)整個(gè)飛機(jī)液壓系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)所有部件的尺寸以及安裝位置必須嚴(yán)格等同于實(shí)際系統(tǒng)。由于模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動系統(tǒng)功率大，而安裝空間的容積有限，因此動力部分的功率密度需要足夠大，一般的電機(jī)顯然不能滿足要求。8物理裝置的選擇液壓驅(qū)動裝置具有功率密度大、動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、抗負(fù)載能力強(qiáng)、運(yùn)動平穩(wěn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)是電氣和氣動裝置所不具備的。對小型小功率機(jī)種，采用閥控液壓馬達(dá)形式，能獲得滿意的動態(tài)性能。由于泵控液壓馬達(dá)系統(tǒng)的工作效率高達(dá)90%，因此，對大功率系統(tǒng)，改用泵控液壓馬達(dá)形式，以保證高效率。9系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式液壓泵—馬達(dá)驅(qū)動裝置模擬發(fā)動機(jī)提供輸出動力并實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。10系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式整個(gè)飛機(jī)動力訓(xùn)練地面模擬系統(tǒng)，是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)、電、液一體化綜合系統(tǒng)。由機(jī)載燃油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)動力學(xué)方程組、電力系統(tǒng)、液壓速度伺服系統(tǒng)、舵機(jī)模擬系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)及中心控制臺組成，分別由物理模擬和數(shù)字模擬來實(shí)現(xiàn)。機(jī)載燃油系統(tǒng)由燃油泵、供油操縱桿和各種飛行儀表組成，提供了一個(gè)逼真的飛機(jī)駕駛環(huán)境；發(fā)動機(jī)動力學(xué)方程組根據(jù)燃油的供應(yīng)量和工作環(huán)境，解算出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這部分由微型計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真來實(shí)現(xiàn)；液壓泵－馬達(dá)系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速物理仿真的核心部分，由電力系統(tǒng)提供能量，在地面模擬中它主要帶動發(fā)動機(jī)的各種負(fù)載而無須提供推力；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)動機(jī)的動力學(xué)仿真，轉(zhuǎn)速測量與控制等，其他為模擬系統(tǒng)的輔助部分。

11系統(tǒng)各部分功能變量液壓泵由電動機(jī)帶動，其輸出流量直接進(jìn)入液壓馬達(dá)，在系統(tǒng)壓力和流量的共同作用下，驅(qū)動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，流量越大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速越高。液壓泵排量的改變是通過電液伺服閥控制變量機(jī)構(gòu)小油缸活塞位移，從而控制液壓泵斜盤傾角實(shí)現(xiàn)的。這樣，對變量液壓泵排量的連續(xù)調(diào)節(jié)便實(shí)現(xiàn)了液壓馬達(dá)輸出的無級調(diào)速的目的?！翱偂㈧o壓模擬系統(tǒng)”是為了對飛機(jī)在高空、高速或啟動條件下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況進(jìn)行仿真而設(shè)置的。“總、靜壓模擬系統(tǒng)”可以在0～25公里和0～5馬赫數(shù)范圍內(nèi)提供發(fā)動機(jī)仿真所需要的總壓和靜壓信號。12系統(tǒng)工作過程按照系統(tǒng)工作的流程，主燃料系統(tǒng)輸出的燃料，結(jié)合發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境，經(jīng)過發(fā)動機(jī)動力學(xué)方程組的解算，用數(shù)字仿真的方法得到轉(zhuǎn)速的計(jì)算值，該計(jì)算值就是轉(zhuǎn)速物理仿真系統(tǒng)的參考輸入。泵－馬達(dá)液壓系統(tǒng)與轉(zhuǎn)速測量部分，以及控制器部分一起組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)一定的控制策略來控制泵—馬達(dá)系統(tǒng)，使液壓馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)速快速、高精度地跟隨參考輸入，并在舵機(jī)加載系統(tǒng)施加不同的載荷時(shí)盡可能保持轉(zhuǎn)速不變。13微處理機(jī)選型由于飛機(jī)發(fā)動機(jī)地面模擬系統(tǒng)的復(fù)雜性，系統(tǒng)的信息量大、關(guān)系復(fù)雜，而且按設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)要有豐富、良好的用戶界面，如數(shù)據(jù)采集、顯示、處理、存儲等功能強(qiáng)，人對系統(tǒng)的干預(yù)、修改控制策略方便，圖形功能豐富等等，這就要求選用較高檔次的微處理機(jī)。本系統(tǒng)選用COMPAQ-386微型計(jì)算機(jī)（1990年）為整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)，用于處理信息的軟件采用高級語言（PASCAL語言）和匯編語言的混合編程。顯然，該系統(tǒng)成為一個(gè)嵌入式微處理器（微計(jì)算機(jī)）系統(tǒng)。14設(shè)計(jì)要求分解為四個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的物理仿真部分設(shè)計(jì)；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)；發(fā)動機(jī)控制部分設(shè)計(jì)；發(fā)動機(jī)的模擬駕駛部分設(shè)計(jì)；泵—馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)：(1)最大輸出功率：不小于65kW（帶動液壓泵的電動機(jī)功率為132kW）(2)轉(zhuǎn)速范圍：300～10000r/min，要求在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速(3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度（穩(wěn)定時(shí)轉(zhuǎn)速脈動量）：0.1%穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速(4)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間：空載情況下：0.12s（誤差帶2%）全慣量負(fù)載情況下：0.25s（誤差帶2%）156.5.3具體設(shè)計(jì)首先對各子系統(tǒng)提出更為具體的要求，并圍繞核心子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。各子系統(tǒng)的具體要求是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的物理仿真部分設(shè)計(jì)：與飛機(jī)發(fā)動機(jī)有相似的動特性轉(zhuǎn)速范圍大輸出功率高負(fù)載剛度高安裝尺寸小16各子系統(tǒng)的具體要求發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)大范圍等精度發(fā)動機(jī)控制部分設(shè)計(jì)控制精度高響應(yīng)速度快發(fā)動機(jī)的模擬駕駛部分設(shè)計(jì)飛行速度的操作舵機(jī)系統(tǒng)的操作17設(shè)計(jì)中的問題系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)主要集中在解決被控對象的測試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。涉及到的子問題有：試驗(yàn)激勵信號選擇、系統(tǒng)信號采集、信號處理、控制決策（控制算法）、性能評價(jià)等。根據(jù)飛機(jī)飛行的實(shí)際狀況及上面提出的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，對飛機(jī)發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速提出的要求為：能快速、平穩(wěn)地跟隨任意給定的連續(xù)輸入指令信號而保證飛機(jī)有良好的升、降速性能；能在接受階躍輸入（正或負(fù)）指令的條件下迅速實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的升或降速的過渡而無超調(diào)（沖擊、振蕩）；有較強(qiáng)的抗干擾能力，如突加負(fù)載作用時(shí)保證飛機(jī)速度的穩(wěn)定等。18設(shè)計(jì)中的問題階躍信號作用下的系統(tǒng)工作狀況最為惡劣，也最為典型，在通常的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)激勵信號往往選取階躍形式，其典型性的另一表現(xiàn)在于，階躍信號的頻譜很豐富，能對被試系統(tǒng)給予充分的激勵。因此，本節(jié)僅以選取階躍信號——包括階躍輸入（用階躍信號輸入伺服閥）和階躍擾動（對液壓馬達(dá)輸出軸施加階躍負(fù)載擾動）——作控制設(shè)計(jì)激勵信號為例，研究泵控馬達(dá)系統(tǒng)在階躍激勵下的閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制問題，使閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程達(dá)到要求的性能指標(biāo)。19設(shè)計(jì)方法在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，自頂向下的設(shè)計(jì)方法和模塊化設(shè)計(jì)方法是常常為軟件設(shè)計(jì)者所采用的有效方法:自頂向下的程序設(shè)計(jì)方法是，程序設(shè)計(jì)時(shí)先從系統(tǒng)一級的管理程序或主程序入手，從屬的程序或子程序暫用標(biāo)志代替。在完成系統(tǒng)一級的程序設(shè)計(jì)并測試合格后，再將標(biāo)志逐步擴(kuò)展成從屬程序或子程序并進(jìn)行測試、查錯，最后對整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試，直至完全通過。該技術(shù)是設(shè)計(jì)測試和連接同時(shí)按一個(gè)線索進(jìn)行，不斷地吸收新的內(nèi)容聯(lián)調(diào)，其中的矛盾和問題可較早發(fā)現(xiàn)、解決；模塊化的程序設(shè)計(jì)方法是把一個(gè)較長的完整程序按功能分成若干個(gè)小的程序或模塊，分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試，最后裝配在一起。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：每一個(gè)模塊功能單一，編程、調(diào)試、修改和更新方便；模塊具有通用性，組合能力強(qiáng)，便于總功能擴(kuò)充。20設(shè)計(jì)方法基于相似原理及移植技術(shù)，上面兩種方法的思路完全可以為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)所吸取。對于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們綜合運(yùn)用兩者：首先將總系統(tǒng)分解為一些子系統(tǒng)，通過上一節(jié)初步設(shè)計(jì)的分析，現(xiàn)確定為四個(gè)子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)再分解為功能模塊，分別設(shè)計(jì)軟、硬件并調(diào)試通過，最后組裝聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。將泵—馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)劃分為三個(gè)主要環(huán)節(jié)（模塊）的問題：(1)系統(tǒng)建模與分析——獲得先驗(yàn)知識；(2)動態(tài)信息獲取——轉(zhuǎn)速信號的測試；(3)控制決策——控制器設(shè)計(jì)。21模塊設(shè)計(jì)——(1)系統(tǒng)建模與分析

轉(zhuǎn)速的物理模擬部分，液壓泵—馬達(dá)轉(zhuǎn)速微機(jī)控制系統(tǒng)如圖所示。變量泵的流量控制是用伺服閥4、液壓缸—位移傳感器6組成的小閉環(huán)實(shí)現(xiàn)的。u為系統(tǒng)的控制輸入，經(jīng)比較器與6反饋信號相減得到誤差信號er經(jīng)伺服放大器5轉(zhuǎn)換成電流信號i輸入伺服閥。22液壓泵—馬達(dá)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型式中，n1為液壓馬達(dá)軸轉(zhuǎn)速；Kce為總流量壓力系數(shù)；Kqp為變量泵的流量增益；Kq

為閥的流量增益；Dm

為液壓馬達(dá)每弧度排量；Ap為活塞有效面積；Xv為伺服閥閥芯位移；Ct為總泄漏系數(shù)；V0為泵和馬達(dá)的一個(gè)工作腔、連接管道及與此相連的非工作容積；βe為系統(tǒng)的等效體積模量；ω1h、ωh

分別為泵控液壓馬達(dá)和閥控缸的液壓固有頻率；ξ1h、ξh

分別為泵控液壓馬達(dá)和閥控缸的阻尼比；TL為作用在馬達(dá)軸上的任意外負(fù)載轉(zhuǎn)矩。23液壓泵—馬達(dá)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)是一個(gè)高階系統(tǒng)（階次至少在6階以上）。由于液壓缸、伺服閥和位置傳感器組成的變量伺服機(jī)構(gòu)的慣量很小，液壓缸—負(fù)載的諧振頻率高達(dá)100Hz以上，ω1h>>ωh，系統(tǒng)的動態(tài)特性主要由變量柱塞泵和液壓馬達(dá)決定。液壓泵控馬達(dá)系統(tǒng)具有效率高的優(yōu)點(diǎn)，常用于大功率場合。但它的響應(yīng)相對較慢，原因是泵的變量機(jī)構(gòu)負(fù)載效應(yīng)嚴(yán)重。同時(shí)，系統(tǒng)又存在死區(qū)、飽和、滯環(huán)、粘性摩擦等非線性，參數(shù)受液壓油溫、伺服閥工作點(diǎn)影響而具有時(shí)變特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得難以采用數(shù)學(xué)解析式建立系統(tǒng)的精確模型，而只能作一定程度上的簡化建模，其非線性、參數(shù)時(shí)變均有待在控制器設(shè)計(jì)中予以補(bǔ)償、協(xié)調(diào)，以提高控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能、穩(wěn)態(tài)精度，增強(qiáng)魯棒性。24模型的分析和簡化為了便于分析和簡化模型，根據(jù)液壓控制系統(tǒng)理論，可得系統(tǒng)的方框圖1伺服放大器，2伺服閥，3變量機(jī)構(gòu)液壓缸，4變量機(jī)構(gòu)，5泵控馬達(dá)和外負(fù)載轉(zhuǎn)矩，6齒輪機(jī)構(gòu)，7位移傳感器，8速度傳感器25系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)①伺服放大器增益：Ka，式中，er為偏差信號，是由輸入位置信號與反饋位置信號相減所得的電壓信號；I為電流輸出信號。顯然伺服放大器是一個(gè)電壓/電流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，起功率放大作用。26系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)②伺服閥傳遞函數(shù)某型號伺服閥，通過查閱生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品目錄和說明書數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)液壓固有頻率>50HZ時(shí)，其傳遞函數(shù)：當(dāng)系統(tǒng)液壓固有頻率<50HZ時(shí)，有：系統(tǒng)頻率很低時(shí)，可令：27系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)③變量機(jī)構(gòu)液壓缸——閥控缸傳遞函數(shù)式中,xp——液壓缸活塞桿的輸出位移；Ap——活塞有效面積；ωh1——閥控缸的固有頻率；ζh1——閥控缸的阻尼比。28系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)④變量機(jī)構(gòu)的比例系數(shù)KФ

活塞桿位移使寫盤繞一支點(diǎn)移動一角度，改變了斜盤的傾角，由于角度很小。故簡化為設(shè)活塞桿位移作用點(diǎn)距斜盤支點(diǎn)的距離為L，則29系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)⑤泵控馬達(dá)系統(tǒng)如考慮外負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的擾動，可得框圖。從框圖中，可得泵控馬達(dá)傳遞函數(shù)為：如果不考慮外負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的擾動，即TL為常值時(shí)，則傳遞函數(shù)為：30系統(tǒng)的傳遞函數(shù)雖然我們對上述電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳盡的分析，但是由于液壓系統(tǒng)的許多參數(shù)是用經(jīng)驗(yàn)值來確定的，制造中的誤差、系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)變特性，加之系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、負(fù)載變化時(shí)的特性等，都會造成系統(tǒng)模型的誤差，給控制器的設(shè)計(jì)帶來困難。對于特性未知的、模型難以進(jìn)行精確數(shù)學(xué)描述的復(fù)雜系統(tǒng)(稱為灰箱或黑箱)的認(rèn)識，通常采取基于試驗(yàn)輸入—輸出響應(yīng)方法來獲得系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，進(jìn)而對其動特性進(jìn)行特性分析，同樣，該方法也可以檢驗(yàn)我們對系統(tǒng)模型的簡化是否合理。31泵—馬達(dá)系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線曲線是由一個(gè)大振蕩曲線和一些小振蕩曲線迭加而成，因而該系統(tǒng)是一個(gè)高階系統(tǒng)，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)為0.3秒，并具有大約0.06秒的時(shí)延。此外，通過頻率特性測得系統(tǒng)頻寬只有0.714Hz，動態(tài)響應(yīng)慢，與理論分析的結(jié)果是比較一致的。32(2)動態(tài)信息獲取控制系統(tǒng)中，被控對象與控制器的相互聯(lián)系是靠信息通道建立的。從兩者聯(lián)系的方式上看，從被控對象中提取有用的動態(tài)信息(數(shù)據(jù)采集)送給控制器的通道稱為輸入通道；而控制器決策后提供給被控對象的控制信號通道稱為輸出通道。信息的傳遞形式可以是模擬量、數(shù)字量或開關(guān)量。由于系統(tǒng)的功率大、轉(zhuǎn)速的變化范圍很大（300～10000r/min），而系統(tǒng)的控制精度要求又較高（穩(wěn)態(tài)值的0.1%），必然要求轉(zhuǎn)速的測試精度很高，這用通常的測速方法是難以實(shí)現(xiàn)的。33幾種常用測速方法的比較①直流測速發(fā)電機(jī)該方法是通過直流測速發(fā)電機(jī)將其輸入的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出。其轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系為：U=k×n顯然，如果k為常數(shù)，則U與n呈線性關(guān)系。實(shí)際上，僅在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，U與n為線性關(guān)系，超出范圍則是非線性的。34直流測速發(fā)電機(jī)測速造成非線性的因素是多方面的，主要是電樞反應(yīng)和延遲換向的去磁效應(yīng)使非線性誤差隨轉(zhuǎn)速的增大或負(fù)載電阻的減小而增大。可見，該方法的使用要滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速不得超過規(guī)定的最高轉(zhuǎn)速Nmax，負(fù)載電阻不可小于額定值。另外，電機(jī)本身物理結(jié)構(gòu)的影響、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、電磁轉(zhuǎn)換及溫度等因素會造成輸出電壓的波動，降低了測量精度。

型號激磁電流/A電樞電壓/V負(fù)載電阻/Ω轉(zhuǎn)速r/min輸出電壓不對稱度≤%輸出電壓線性誤差≤%新舊ZCF121AZCF5A0.0950±2.5200030001±1ZCF222S221F0.0974±3.7250035002±335②頻/壓轉(zhuǎn)換測速（F/V法）在被測軸上安裝一個(gè)齒輪盤，用磁電式傳感器把被測轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成近似正弦信號，經(jīng)放大整形處理后成為脈沖信號，送入頻/壓轉(zhuǎn)換電路處理，可以得到與轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電壓。通常，電壓信號由模擬量輸入通道（A/D）采集入計(jì)算機(jī)。這樣，可測速范圍要受A/D位數(shù)的限制；另一方面，當(dāng)輸入信號的頻率變化較劇烈時(shí)，輸出的電壓波動較大，干擾嚴(yán)重，而加大濾波電路的電容值，又會引起較大的時(shí)延。此外，頻/壓轉(zhuǎn)換電路芯片的主體——電荷泵也有一定的時(shí)延，說明此法在測量不同的轉(zhuǎn)速信號時(shí)，測量系統(tǒng)具有不同的測量精度，因此也不適宜采用。幾種常用測速方法的比較36③等精度測速法在一定的定時(shí)時(shí)間Ｔ內(nèi)，同時(shí)對兩路脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)——被測脈沖（頻率f）計(jì)了m個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖（頻率f0）計(jì)了m0個(gè)，由于兩者計(jì)數(shù)時(shí)間相等，有關(guān)系式：

f＝(m·f0)/m0

因?yàn)槎〞r(shí)時(shí)間很短，這m個(gè)被測周期內(nèi)的頻率平均值可近似看作瞬態(tài)值。如果標(biāo)準(zhǔn)脈沖的頻率f0較高，被測信號的頻率f范圍就可以很廣。為減少測量誤差，用被測信號的上升沿同時(shí)打開和關(guān)閉這兩路計(jì)數(shù)器，這保證了誤差個(gè)數(shù)在定時(shí)時(shí)間段的一端積累，最多有±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖誤差。幾種常用測速方法的比較37等精度測速法38等精度測速法用等精度測量原理測量頻率的絕對誤差為：△f＝mf0［1/m0－1/(m0±1)］相對誤差為：

E＝1/(m0±1)可見，相對誤差僅決定于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m0，而與被測信號無關(guān)，實(shí)現(xiàn)了大范圍內(nèi)具有相等精度的頻率測試，而且時(shí)鐘頻率越高，精度越高。通常時(shí)鐘頻率在1MHz以上，這對幾千赫至幾十千赫的被測頻率量來說，精度已足夠高了（理論上可達(dá)十萬分之一）。此外，選擇較高的時(shí)鐘信號，相應(yīng)地可縮短定時(shí)時(shí)間，提高對被測量測試的實(shí)時(shí)性，這有利于完成控制算法。

39一般說來，測量誤差是由多種因素帶來的，主要包括噪聲污染、測量原理及測量裝置三個(gè)方面。因此若要得到高精度的轉(zhuǎn)速測試的設(shè)計(jì)就要從這三方面考慮，盡量提高信號質(zhì)量、完善測試原理及優(yōu)化測試裝置的設(shè)計(jì)。首先，改善信號質(zhì)量：實(shí)現(xiàn)模擬量到頻率量的轉(zhuǎn)化?？紤]到數(shù)字信號具有較強(qiáng)的抗干擾能力，把磁電式傳感器檢測的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過放大、整形處理成脈沖序列，脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)速有一定的對應(yīng)關(guān)系，于是對轉(zhuǎn)速的測試轉(zhuǎn)化為對脈沖的計(jì)數(shù)。這相當(dāng)于對信號進(jìn)行了有效的濾波處理，使得信號的抗干擾能力明顯增強(qiáng)。高精度的轉(zhuǎn)速測試的設(shè)計(jì)40其次，完善測試原理：采用等精度測頻原理。被測信號經(jīng)過前述處理后，接下來就是測頻計(jì)數(shù)的過程。通常的測頻方法有測頻法和測周法：測頻法：就是在給定的時(shí)間（稱為定時(shí)時(shí)間或測量周期）內(nèi)累計(jì)被測信號的脈沖數(shù)。設(shè)在一個(gè)測量周期T時(shí)間內(nèi)，m為被測頻率的脈沖個(gè)數(shù)，則被測頻率為：

f＝m/T

測頻法存在的問題是：測量周期T是固定的，這種用固定的時(shí)間去卡被測信號，難免會出現(xiàn)±1個(gè)被測脈沖數(shù)誤差。當(dāng)被測信號頻率較低，即被測信號周期不能滿足遠(yuǎn)小于測量周期的條件時(shí)，將有較大的測量誤差。該法僅適合于高頻測試。高精度的轉(zhuǎn)速測試的設(shè)計(jì)41高精度的轉(zhuǎn)速測試的設(shè)計(jì)測周法：就是在一個(gè)被測頻率脈沖時(shí)間內(nèi)，測量所用的時(shí)間t。被測頻率為：

f＝1/t

通常，測量時(shí)間t是對一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，這會帶來±1個(gè)時(shí)鐘脈沖誤差。當(dāng)被測頻率較高或其周期不遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘周期時(shí)，誤差較大，該法多用對于低頻脈沖的測量。測周法帶來的另一個(gè)問題是：測量周期是隨被測頻率而變，這對數(shù)字控制系統(tǒng)的性能將帶來嚴(yán)重的影響。飛機(jī)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速是在大幅度內(nèi)變化的，顯然，單獨(dú)的測頻、測周法不能保證在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均有較高的測試精度。等精度測試法可以得到全范圍內(nèi)的高精度測試42最后，優(yōu)化測試裝置設(shè)計(jì)：與微機(jī)接口，軟、硬件兼?zhèn)洹？紤]到本模擬系統(tǒng)是一個(gè)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，各子系統(tǒng)、各模塊的設(shè)計(jì)要盡可能充分地利用計(jì)算機(jī)的功能優(yōu)勢，測速裝置硬件設(shè)計(jì)為插卡式微機(jī)接口電路板，并配備完善的軟件，軟件設(shè)計(jì)成模塊結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)、功能豐富。高精度的轉(zhuǎn)速測試的設(shè)計(jì)43(3)控制策略設(shè)計(jì)控制器結(jié)構(gòu)液壓泵—馬達(dá)系統(tǒng)不能保證建模的精度，液壓系統(tǒng)中有許多經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，只能在某范圍內(nèi)取值，而且傳動介質(zhì)(液壓油)溫度的變化對系統(tǒng)工作有很大的影響，加上非線性因素，造成了系統(tǒng)的復(fù)雜性。有鑒于此，考慮到智能控制方法的優(yōu)點(diǎn)——回避了對系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的依賴性，只需模仿人對系統(tǒng)的定性認(rèn)識，就能設(shè)計(jì)出具有智能性的控制器，并能得到控制性能的滿意解。

44控制模式的切換基于操作者的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施控制的判據(jù)主要是被控制變量的偏差（理想值減去測量值）?？刂颇Ｊ降那袚Q也是依據(jù)轉(zhuǎn)速的偏差e=R－Y的大?。寒?dāng)?shù)趇時(shí)刻偏差|e|>EM（EM為預(yù)先設(shè)定的偏差上限）時(shí)，選擇最少拍控制模式；當(dāng)Em<|e|<EM（Em為預(yù)先設(shè)定的偏差下限）時(shí)，執(zhí)行模糊控制模式；當(dāng)|e|<Em時(shí)，切換到PID控制模式。45控制模式設(shè)計(jì)①最少拍控制模式最少拍控制就是要在最少時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)跟蹤希望值，并保持穩(wěn)定。46最少拍控制模式為使系統(tǒng)跟蹤盡可能快，最少拍的第一拍常給出一個(gè)很大的正值來加快系統(tǒng)響應(yīng)；而為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，第二拍又給出一負(fù)值使系統(tǒng)不產(chǎn)生超調(diào)。一般，對二階以上的系統(tǒng)，還要繼續(xù)給出正值、負(fù)值進(jìn)行控制，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。由于第一拍的控制量很大，因此最少拍要求控制量不受約束。這是一種用解析方法來設(shè)計(jì)控制器的手段，對模型精度要求很高。對本系統(tǒng)而言，最少拍控制作為整個(gè)控制器的一種模式，可以采用簡化模型設(shè)計(jì)。由于采用簡化模型，最少拍控制不能使系統(tǒng)真正做到在“最少拍”內(nèi)精確地跟隨到給定值上，只能是一種加速響應(yīng)的控制，使轉(zhuǎn)速偏差迅速減小到某極限值（本系統(tǒng)設(shè)為EM）內(nèi)，控制切換到模糊模式。47控制模式設(shè)計(jì)②模糊控制模式作為智能控制的重要組成部分，模糊控制的突出特點(diǎn)在于：它不再仔細(xì)地研究被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而更關(guān)心控制器本身。模糊控制的實(shí)用方法是：基于對經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)的離線分析和總結(jié)，將工作范圍內(nèi)的模糊規(guī)則總結(jié)成一張模糊規(guī)則表。實(shí)施控制時(shí)只需查表、按表中所給的控制量輸出控制。這減少了控制系統(tǒng)在線計(jì)算量，提高了實(shí)時(shí)性。48控制模式設(shè)計(jì)③PID控制模式在本系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的下限Em后，即實(shí)施常規(guī)PID調(diào)節(jié)，它對系統(tǒng)的作用主要是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定下來并保證穩(wěn)態(tài)精度（即使在穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)也經(jīng)常會受到各種隨機(jī)擾動，PID調(diào)節(jié)也是必要的），而對動態(tài)響應(yīng)作用很小。從上述的三模式控制方式來看，最少拍控制和模糊控制作用于系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速有大偏離和較大偏離情況下，這時(shí)系統(tǒng)的非線性影響較嚴(yán)重，這兩種控制模式可使問題得到簡化、優(yōu)化。