摘要：本文通過分析伺服閥的流量增益與負載壓力的非線性，采用狀態(tài)觀測器獲得內(nèi)部壓力，以實現(xiàn)對流量的精確控制。為了測試和調(diào)試伺服加載控制器的工作性能，通過對控制器各個組成部分分析，建立了仿真試驗平臺系統(tǒng)控制器各部件的數(shù)學模型，最后，對系統(tǒng)數(shù)學模型的合理性進行了實驗驗證，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以較好地模擬伺服加載系統(tǒng)的實際工作情況，此模型可用于加載控制器性能的仿真。

關(guān)鍵詞：伺服加載控制器；數(shù)學模型；伺服閥；模擬器

中途分類號：TP9文獻標識碼：B

0引言

電液伺服加載系統(tǒng)(簡稱EHSLS)是一個復雜的機-電-液復合力伺服系統(tǒng)，在飛行器的研制過程中，EHSLS用以在實驗室條件下模擬飛行器舵機所受空氣動力等載荷，并檢測舵機驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)性能指標的地面半實物仿真設(shè)備，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[1]。

圖1電液伺服加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1、舵機液壓缸；2、加載液壓缸；3、位移傳感器；4、力函數(shù)發(fā)生器；5、彈性負載；6、等效慣性負載；7、力傳感器；

電液伺服加載系統(tǒng)作為飛行器性能試驗負載模擬器，是目前最為常見的一種地面動態(tài)飛行仿真設(shè)備，在國防航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應用。伺服加載控制器是伺服加載系統(tǒng)的核心，其性能好壞很大程度上決定伺服加載系統(tǒng)的性能，隨著國防工業(yè)的發(fā)展，對控制器性能指標要求越來越高［2-3］飛機直線作動器伺服加載系統(tǒng)是用于直線作動器做特性試驗時，給產(chǎn)品作動器施加載荷的控制系統(tǒng)。對伺服加載控制器的調(diào)試一般都是先在計算機上對模型進行軟件仿真，然后就直接在實際控制系統(tǒng)中進行調(diào)試應用。這種方法會存在較大的風險，一旦控制器出現(xiàn)控制失調(diào)，會造成產(chǎn)品的損壞，若能合理設(shè)計加載系統(tǒng)機械部分的模型，就能構(gòu)建一個與加載系統(tǒng)實際工作情況接近的試驗平臺，對控制器進行離線仿真閉環(huán)測試，從而將控制器的性能調(diào)整到最佳狀態(tài)［4-5］。

因為電液伺服加載系統(tǒng)的巨大經(jīng)濟效益和潛在價值，受到了液壓和控制領(lǐng)域眾多學者的重視，并且一度成為該領(lǐng)域的前沿課題。由于電液伺服加載系統(tǒng)是典型的被動式力控制系統(tǒng)，在動態(tài)加載過程中，存在由舵機系統(tǒng)的主動運動引起的多余力。多余力混入加載系統(tǒng)，不僅嚴重影響加載精度，而且對其他控制性能也有不利影響，電液伺服加載系統(tǒng)的許多重要性能指標都和多余力有關(guān)[6-7]。對于如何克服多余力的問題，目前國內(nèi)外學者提出和應用了各種各樣的方法[8]，其中基于結(jié)構(gòu)不變性原理的多余力抑制是應用最普遍的主動消擾方式，某單位將其應用在3—4FM型導彈空氣動力負載仿真臺上[9]，或?qū)⑵涑晒τ糜谥鄙龣C旋翼加載上[10]，還有其他用在船舶舵機和飛機起落架的加載上等[11-12]，都取得了令人滿意的效果。

1電液伺服加載系統(tǒng)數(shù)學模型

為了推導的簡潔性，在數(shù)學建模中需做適當假設(shè)。除此之外，加載液壓缸與等效負載可視為剛性連接，力傳感器得剛度較高，忽略其彈性變形。由于實際中需對舵機進行精確地位移的加載，其自身內(nèi)部的運動和相互作用力不在研究范圍之內(nèi)，舵機系統(tǒng)以其位移的形式作為加載系統(tǒng)的輸入，以此為基礎(chǔ)研究電液伺服加載系統(tǒng)。

加載系統(tǒng)伺服閥中的流量[13]

式中：QL為伺服閥的負載流量(m3／s)；Kq為伺服閥的流量增益系數(shù)(m2／s)；Xv為伺服閥閥芯位移(m)；PL為伺服閥的負載壓力(Pa)；PT為油箱壓力(Pa)；ρ為油液密度(kg／m3)；w為控制閥口的面積梯度(m),Cd為閥口的流量系數(shù)(無因次)。

加載系統(tǒng)液壓缸中的壓力：

式中：AF為液壓缸活塞的有效面積(m2)；Ctc為液壓缸總泄漏系數(shù)(m5／(N·s))；yL為等效負載位移(m)；Vt為液壓缸兩腔的總?cè)莘e(m3)；βe為液壓油的等效體積彈性模數(shù)(Pa)。

加載系統(tǒng)提供的實際載荷：

多余力為：

式中：FD為期望載荷。

伺服加載控制器采用PI控制規(guī)律。P調(diào)節(jié)提高系統(tǒng)響應速度，I調(diào)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，離散化PI增量型控制規(guī)律表示為

式中:u(k)為PI調(diào)節(jié)輸出信號；k為時間序列號；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；T為采樣周期；ε(k)為偏差信號；Δu(k)為PI調(diào)節(jié)增量。

2伺服加載系統(tǒng)部件模型

伺服加載系統(tǒng)中的機械部件包括伺服放大器電液伺服閥、液壓缸、力傳感器等，這些部件均可用模型來進行描述。

設(shè)指令電壓信號為Ur，反饋電壓信號為UF，則偏差電壓信號為Ue

力傳感器方程為

式中：KF為力傳感器增益;F為反饋力伺服放大器的輸出為：

式中：i為放大器輸出電流；U為放大器輸入電壓；Ka為放大器增益。

由于等效負載的慣性力和液壓缸的粘性力可通過力函數(shù)發(fā)生器進行補償，因此可不進行討論。通過以上分析，同時考慮功率放大器、電液伺服閥、位移傳感器、力傳感器、力函數(shù)發(fā)生器等系統(tǒng)外圍組件，可得電液伺服加載系統(tǒng)方框圖，如圖2所示。

圖2電液伺服加載系統(tǒng)方框圖

雖然通過加載系統(tǒng)伺服閥中的流量公式可得到實時缸壓和流量的關(guān)系，但是實際中測量伺服閥的負載壓力往往會提高成本。而通過控制流量可以補償干擾位移的運動，加載系統(tǒng)伺服閥中的流量公式也說明流量與液壓缸內(nèi)壓力有關(guān)。因此在沒有壓力傳感器的情況下，利用現(xiàn)代自動控制理論通過系統(tǒng)重構(gòu)建立一套狀態(tài)觀測系統(tǒng)，采用狀態(tài)觀測器預估系統(tǒng)狀態(tài)的辦法，實時地修正狀態(tài)觀測系統(tǒng)，使其與實際系統(tǒng)一致，從而保證觀測器中液壓缸兩端的壓力與實際系統(tǒng)中的一致。

3仿真模型搭建

通過對以上部件數(shù)學模型的建立可得實時缸壓和流量的關(guān)系，但是在實際中測量伺服閥的負載壓力往往會提高成本。而通過控制流量可以補償干擾位移的運動，這也就說明流量與液壓缸內(nèi)壓力有關(guān)。因此在沒有壓力傳感器的情況下，利用現(xiàn)代自動控制理論通過系統(tǒng)重構(gòu)建立一套狀態(tài)觀測系統(tǒng)，采用狀態(tài)觀測器預估系統(tǒng)狀態(tài)的辦法，實時地修正狀態(tài)觀測系統(tǒng)，使其與實際系統(tǒng)一致，從而保證觀測器中液壓缸兩端的壓力與實際系統(tǒng)中的一致，其控制模型如圖3所示。

圖3系統(tǒng)控制部分仿真模型

4結(jié)論

本研究針對電液伺服加載系統(tǒng)被動加載時存在較大多余力及結(jié)構(gòu)不變性原理難以完全補償?shù)膯栴}，對整個控制系統(tǒng)進行了建模和仿真。文中從系統(tǒng)數(shù)學模型出發(fā)，在結(jié)構(gòu)不變性原理的基礎(chǔ)上，深入分析了伺服閥的流量方程，并通過狀態(tài)觀測器預估實時液壓缸兩腔壓力，建立了其與伺服閥流量增益的關(guān)系，從而更加精確地補償了多余流量。最終通過仿真分析表明，所建數(shù)學模型與實際仿真效果相同。然而，在本文中由于簡化了觀測器的狀態(tài)跟蹤部分，只能在短時間內(nèi)保持與實際系統(tǒng)的狀態(tài)一致。

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