基于余度技術(shù)的伺服作動系統(tǒng)設(shè)計

基于余度技術(shù)的伺服作動系統(tǒng)設(shè)計

宇宙飛機是航空航天領(lǐng)域的重要設(shè)備。良好的可靠性是飛機能否成功飛行的關(guān)鍵，對推動發(fā)動機轉(zhuǎn)向的電液服務(wù)系統(tǒng)提出了嚴格的要求。它的良好可靠性是評估氣服系統(tǒng)性能的重要依據(jù)。為了提高電液服務(wù)系統(tǒng)的可靠性，提出了余度控制方法，并對結(jié)構(gòu)服務(wù)系統(tǒng)進行了理論分析。1單通道電液伺服作動系統(tǒng)的數(shù)學模型伺服作動系統(tǒng)由5個部分組成:3個力矩馬達、3個噴嘴-擋板閥、滑閥、作動筒、負載發(fā)動機,其中各自包含了相應(yīng)的反饋:力反饋、動壓反饋、負載機械位置反饋等.對于單通道電液伺服作動系統(tǒng),其數(shù)學模型的推導過程如下.1力平衡方程的建立力矩馬達的電路圖如圖1所示.伺服放大器的輸入電壓為eg,伺服放大器的輸出電壓ec加到力矩馬達的2個差動連接的線圈上,其力矩馬達的輸入電壓為ec=e1+e2=Κgeg+Κgeg=2ueg=2Κgeg(1)ec=e1+e2=Kgeg+Kgeg=2ueg=2Kgeg(1)式中ec為推挽放大器輸給力矩馬達的控制電壓,V;e1為推挽放大器單邊加到線圈1上的電壓,V;e2為推挽放大器單邊加到線圈2上的電壓,V;Kg為推挽放大器的單邊放大系數(shù).力矩馬達的電壓平衡方程為2Κgeg=(Rc+rp)ic+2Lcdicdt+2Κbdθdt(2)2Kgeg=(Rc+rp)ic+2Lcdicdt+2Kbdθdt(2)式中ic為輸入力矩馬達的控制電流,A;Rc為力矩馬達每個線圈的電阻,Ω;rp為每個線圈回路的放大器內(nèi)阻,Ω;Lc為力矩馬達每個線圈的電感,H;Kb為力矩馬達每個線圈的反電勢常數(shù),V·s/rad.力矩馬達的力平衡方程為Μd=Jad2θdt2+Badθdt+Κaθ+ΜLΜd=Κtic+Κmθ}(3)Md=Jad2θdt2+Badθdt+Kaθ+MLMd=Ktic+Kmθ}(3)式中Md為力矩馬達的電磁力矩,N·m;Ja為銜鐵組件的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;Ba為銜鐵組件的粘性阻尼系數(shù);Ka為彈簧管剛度,N·m/rad;ML為力矩馬達的負載力矩,N·m;Kt為力矩馬達中位電磁力矩系數(shù),N·m/A;Km為力矩馬達的電磁彈簧剛度,N·m/rad;θ為銜鐵轉(zhuǎn)角,rad.力矩馬達的負載力矩為ΜL=rAppp(s)+(r+b)Κf[(r+b)θ(s)+xv(s)]-r′A′ppf(s)-8πC2pr2psxd0θ(s)+8πC′2pr′2psx′d0θ(s)(4)式中r為噴嘴孔軸心到銜鐵旋轉(zhuǎn)中心距離,m;r′為反饋噴嘴孔軸心到銜鐵旋轉(zhuǎn)中心距離,m;Ap為噴嘴孔面積,m2;A′p為反饋噴嘴孔面積,m2;pf為動壓反饋的負載壓差,Pa;pp為兩噴嘴腔的壓力差,Pa;b為反饋桿小球中心到噴嘴中心距離,m;Kf為反饋桿剛度,N/m;xv為閥芯位移,m;Cp為噴嘴與擋板之間的流量系數(shù);C′p為反饋噴嘴與擋板之間的流量系數(shù);xd0為擋板與噴嘴之間的零位距離,m;x′d0為反饋擋板與噴嘴之間的零位距離,m;ps為供油壓力,Pa.動壓反饋伺服閥比壓力反饋閥增加一個帶對中彈簧的動壓活塞,其功能是一個過濾裝置,并使系統(tǒng)有良好的阻尼和動態(tài)特性,它對系統(tǒng)負載壓力pL的傳遞函數(shù)為pf(s)pL(s)=ΤD(s)ΤD(s)+1(5)式中TD為時間常數(shù),ΤD=√2ρpfmaxA2DCpπdpxdΚ2L其中dp,xd,KL為反饋噴嘴的直徑和噴嘴與擋板之間的距離及對中彈簧剛度.由式(1)～式(5)可得動壓反饋伺服閥力矩馬達傳遞函數(shù)Gθ(s)的方塊圖如圖2所示.2滑閥閥芯的力平衡方程雙噴嘴擋板液壓放大器是伺服閥的前置級,屬于機械液壓轉(zhuǎn)換裝置,其功能是將擋板的微小機械位移信號轉(zhuǎn)換為液壓信號驅(qū)動滑閥的閥芯,其性能的好壞直接影響伺服閥以及整個伺服系統(tǒng),因此對該環(huán)節(jié)進行理論分析是必要的.其3個基本方程如下.流量方程為Qp(s)=ΚQpxd(s)-Κcppp(s)(6)式中Qp為雙噴嘴擋板閥的輸出流量,m3/s;KQp為雙噴嘴擋板閥的流量增益,m2/s;Kcp為雙噴嘴擋板閥流量壓力系數(shù),m3/(s·Pa).考慮噴嘴腔中油的壓縮性和泄漏,則滑閥閥芯運動所需的流量為Qp=Avsxv(s)+Vp2βespp(s)(7)式中Av為閥芯端面積,m2;Vp為閥芯處于中位時一個噴嘴腔的體積,m3.閥芯的力平衡方程為pp(s)Av=mvs2xv(s)+Bvsxv(s)+Κf[(r+b)θ(s)+xv(s)]+Κvxv(s)(8)式中mv為滑閥質(zhì)量,kg;Bv為滑閥粘性系數(shù),N·s/m;Kv=0.43ω(ps-pL).噴嘴擋板位移方程為xd=rsin?θ≈r?θ(9)由式(6)～式(9)可得液壓放大器傳遞函數(shù)為Gv(s)=xv(s)θ(s)=ΚQprAvs3ω2hp+2ζhpωhps2+(1+ωf2ζhpωhp)s+1(10)Gv(s)的方塊圖如圖3所示.3負載發(fā)動機的受力對于作動筒,其流量方程為QL=At˙yt=Κqxv-CtcpL-Vt4βe˙pL(11)式中At為作動筒活塞的有效面積,m2;yt為作動筒的位移,m;Kq為滑閥的流量增益,m2/s;Ctc為作動筒的總泄漏系數(shù),m3/(s·Pa);Vt為作動筒的有效體積,m3.力矩平衡方程為pLAtR=Rmt¨yt+RBt˙yt+Τ(12)式中mt為作動筒的負載慣量,kg;R為作動筒推動發(fā)動機噴管的擺動力臂,m;Bt為作動筒阻尼系數(shù);T為負載力矩,N·m.負載發(fā)動機的力矩平衡方程為Τ-Τf2-ΤL=Ja¨θf+Νl˙θf+Ν2θf(13)式中Tf2為負載發(fā)動機的摩擦力矩,N·m;TL為負載發(fā)動機的干擾力矩,N·m;Ja為負載發(fā)動機的負載慣量,kg·m2;N1、N2為負載發(fā)動機的粘性阻尼系數(shù)和剛度.作動筒的位移與負載發(fā)動機的擺角之間的關(guān)系為Rθf=yt(14)由式(11)～式(14)可得負載發(fā)動機噴管的擺角對伺服閥輸出xv的方塊圖見圖4,這樣單通道伺服作動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定,其方塊圖見圖5.為了提高伺服作動系統(tǒng)的可靠性和容錯能力,伺服作動系統(tǒng)采用了3個噴嘴擋板閥,3個反饋,這樣伺服作動系統(tǒng)的方塊圖如圖6所示.2系統(tǒng)開環(huán)頻率特性測試為了驗證余度控制方法對提高伺服系統(tǒng)可靠性的效果,對圖6所示系統(tǒng)進行仿真分析,其單通道伺服作動系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性如圖7所示.采用余度控制方法后,伺服系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性如圖8所示.從結(jié)果可看出,單通道伺服系統(tǒng)的幅值裕度為41.72dB(ω=108.2rad/s),采用余度控制方法后,系統(tǒng)的幅值裕度為41.3dB(ω=108.4rad/s),其頻率特性基本沒有改變.采用余度控制方法后,若伺服閥線圈有一路斷開,導致其中一個通道的電信號無法傳送,它的反饋信號、輸入信號的綜合加法器以及功率放大器失去作用,這時伺服系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性見圖9.從圖9可以看出,采用余度控制后,在伺服閥線圈斷一路的情況下,系統(tǒng)的頻率特性