伺服机构负载模拟系统设计与实验研究
- 格式：pdf
- 大小：503.19 KB
- 文档页数：4
３４ 液压与气动 ２０１３年第１２期 ＤＯＩ：１０．１１８３２／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—４８５８．２０１３．１２．００８ 伺服机构负载模拟系统设计与实验研究 张朋 ，付永领 ，郭彦青 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏａｄ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｏｆ Ｓｅｒｖｏ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ＺＨＡＮＧ Ｐｅｎｇ ．ＦＵ Ｙｏｎｇ．１ｉｎｇ ．ＧＵＯ Ｙａｎ—ｑｉｎｇ ， （１．北京航空航天大学机械ｑ－程及自动化学院，北京１００１９１；２．中北大学机械工程与自动化学院，山西太原０３００５１） 摘要：针对火箭发动机尾喷管结构特性分析，提出了一种伺服机构负载模拟器，并建立了数学模型。 实验结果表明，伺服机构在负载模拟器上的动态特性与实际负载情况下具有一致性，所设计的伺服机构负载 模拟器原理可行。仿真结果表明，建立的数学模型与实验结果吻合较好。该负载模拟器的设计和分析为同 类型的机构设计提供了参考。 关键词：负载模拟；伺服机构；数学模型；ＭＡＴＬＡＢ 中图分类号：ＴＨ１３７；ＴＰ２６２ 文献标志码：Ｂ文章编号：１０００－４８５８（２０１３）１２－００３４－０４ 引言 伺服机构是火箭运行姿态控制的执行设备。为了 满足伺服机构研究型试验和产品性能测试需要，负载 模拟系统可以被用来模拟火箭发动机尾喷管负载特 性，在地面提供接近真实对象的实验条件。伺服机构 地面模拟推动发动机摆动所克服的负载主要包括惯性 负载、弹性负载和摩擦负载 ］。 收稿日期：２０１３－０６４）４ 基金项目：航空基金项目（２０１２ＺＤ５１０５５） 作者简介：张朋（１９８４一），男，山东济宁人，博士生，主要从事 机电液控一体化技术研究工作。 拟客车发动机冷却系统的试验台，见图５所示。该试 验台通过对变频器的设置，矢量控制电机模拟客车发 动机工作，通过采集卡采集转速、转矩等信号传递给控 制器，控制器根据内部程序计算溢流阀的溢流电压和 电机的工作电压，输出控制电压，控制溢流阀和电机工 作，实现有效的冷却功能。
图５客车电液混合驱动冷却系统试验台 ５结论 冷却系统是保证客车能够正常工作运行的一个重 要系统，电液混合驱动冷却风扇安装便利，不仅克服 了原来冷却系统驱动方式单一的缺点，而且系统还具 有安装灵活、节省燃油、降低噪声等优点。客车电液混 合驱动冷却系统试验台对未来客车冷却系统的设计研 究具有一定的参考价值。 参考文献： ［１］周龙刚，孟祥龙，李伟，等．发动机冷却风扇驱动方式对比 ［Ｊ］．内燃机与动力装置，２０１２，（２）：５５—５７． ［２］贾崇．装载机用智能温控散热系统［Ｊ］．工程机械与维 修，２０１２，（２）：１５１—１５３． ［３］ 田小燕，刘海兵，徐诗辉，等．冷却风扇及其液压驱动装置 的特性匹配研究［Ｊ］．液压与气动，２０１３，（３）：６３—６５． ［４］ 郭金海，范爱芳．工程机械用冷却风扇的选择与匹配 ［Ｊ］．工程机械，２００１，（７）：２７—２９．
３６ 液压与气动 ２０１３年第１２期 ｍ ／ｓ； 为伺服阀流量增益系数，ｍ ／ｓ；Ｋｏ为伺服阀流 量压力系数，ｍ ／（Ｎ・ｓ）；Ｐ 为系统工作压力，Ｎ／ｍ 。 伺服机构为对称液压缸，缸体力平衡方程： 一一 ‘ ＋Ｃ。 （鲁一警）一Ｋ （２） 式中：Ａ 为活塞有效工作面积，ｉｎ ；ｍ 为缸体的质量， ｋｇ；Ｃｏ为伺服机构液压阻尼系数，Ｎ・ｓ／ｍ；ｘ为缸体位 移，ｍ，图中标示方向为正； 为活塞杆位移，ｍ，图中标 示方向为正；Ｋ为伺服机构安装座刚度系数，Ｎ・ｍ／ｒａｄ。 伺服机构活塞杆力平衡方程： 一ｍ。 ＋ｃｏ‘（警一警）＋Ｃ・鲁＋Ｆ （３） 式中：ｍ为活塞杆的质量，ｋｇ；Ｆ为负载力，Ｎ。 ，＝ ・ 郴 ） ＋等（４） 式中：Ｊ为惯量盘转动惯量，ｋｇ・ｍ ； 为弹簧力矩传 感器刚度系数，Ｎ・ｍ／ｒａｄ； 为扭转弹簧刚度系数， Ｎ・ｍ／ｒａｄ；Ｍ 为摩擦力矩，Ｎ・ｍ；Ｌ为伺服机构力臂， ｍ； 为惯量盘转动角度（ｒａｄ）， ＝孚。 伺服机构连续流量方程为： Ｑ －＝ ｖｔ。 ＋ （誓一警）＋Ｃ。－￣ＰＬ（５） 式中：Ｑｕ为伺服阀输出流量，ｍ ／ｓ；Ｃ。。为伺服机构的 总泄漏系数，ｍ ／（Ｎ・ｓ）；ｖｔ为伺服机构容腔总体积， ｍ ；Ｅ 为液压油的弹性模量，Ｎ／ｍ 。 将式（１）一（５）拉氏变换得： ＱＬ＝Ｋｑ・ ｖ—Ｋ ・ＰＬ （６） Ａｔ。ＰＬ＝一，ｎＴ・ｓ ・ ＋Ｃｏ・ｓ・（ 一 ）一Ｋ・ （７） ｐ ＝（ｍ＋ ）‘Ｓ２ ＋Ｃｏ…（ 一）＋ ｃ．ｓ． ＋（ ＋瓦）． ＋了Ｍｃ （８） ＱＬ１ 羞 ｐＬ＋Ａｔ （ 一 ）＋ｃ ｐＬ（９） ３．２伺服阀传递函数 在整个伺服系统的计算中，常把伺服阀看成一阶 或二阶环节。当实际的使用频率小于５０ Ｈｚ时，伺服 阀的传递函数可简化为一阶环节，大于５０ Ｈｚ时简化 为二阶环节 ，引。这里简化为如下形式： ｉ壶Ｓ２ （１０） ２ ， ｔｏ：ｔｏ 式中：Ｋ为伺服阀的流量增益，ｍ ／ｓ；ｔｏ 为伺服阀的固 有频率，ｒａｄ／ｓ；￣： 为伺服阀的阻尼比。 ３．３其他环节传递函数 伺服放大器动态可以忽略，其输出电流为： ｉ＝ ・Ｕｏ （１１） 式中： 为伺服放大器增益；Ｕ。为偏差信号。 位移传感器方程为： Ｕ。＝Ｋｆ・ （１２） 式中：墨为位移传感器增益，Ｖ／ｍ；ｘ 为活塞杆的绝对 位移，ｍ。 ４ 系统的方框图及非线性数学模型 由式（６）～（１２），可以得出伺服机构与负载模拟 器未加控制器的位置闭环线性系统数学模型框图，如 图３所示。 为了获得比较精确的数学模型，便于后续系统的 分析和研究，充分考虑各种非线性因素，在ＡＭＥＳｉｍ软 件中建立了未加入控制器的伺服机构与负载模拟器系 统的非线性数学模型，如图４所示。
图３
伺服机构系统框图 ２０１３年第１２期 液压与气动 ３７ ④＠
图４伺服机构系统非线性模型 ５实验与仿真分析 为了验证设计的机械式负载模拟系统代替火箭发 动机尾喷管结构特性的准确性，分别进行了试验和仿 真分析，系统的转动惯量：１３０ ｋｇ・ｍ ，摩擦力矩：１００ Ｎ・ｍ，弹性力矩３５０ Ｎ・ｍ／。，支撑刚度：７×１０ Ｎ／ｍ。 仿真分析分别采用ＭＡＴＬＡＢ软件对线性模型进行分 析，和采用ＡＭＥＳｉｍ软件进行非线性分析，得出系统的 闭环波特图。 由图５可知，伺服机构在工作过程中存在谐振峰， 分析可知，同一个伺服机构做实验，系统谐振峰与缸体 的支撑刚度相关。当改变支撑刚度的大小时，谐振峰 会出现左右移动，谐振峰的峰值主要有惯性负载影响。
Ｏ ．５０ －１００ 言．１５ｏ －２ＯＯ ．２５０ ∞／ｒａｄ－ｓ。 ｂ１ 图５ 系统实验和仿真频率特性图 火箭发动机尾喷管是复杂的刚柔耦合结构，在地 面实验室通过负载模拟器完全复现其结构特点比较困 难。负载模拟器是为了较为真实地模拟伺服机构负载 特性，从而检验伺服机构的整体性能，具体说就是负 载模拟器在伺服机构进行小幅值扫频信号工作的情况 下，负载输出的响应特性要与实际目标高度吻合。通 过以上的实验和仿真频率特性验证，说明所设计的机 械式伺服机构负载模拟系统完全符合目标要求。 ６结论 提出了一种机械式伺服机构负载模拟系统，能够 模拟火箭发动机尾喷管的惯性负载、弹性负载、摩擦负 载和支撑刚度。对伺服机构和负载模拟系统的工作过 程作了理论推导，借助于ＭＡＴＬＡＢ和ＡＭＥＳｉｍ分别建 立了系统的线性和非线性仿真分析模型。通过实验验 证和仿真分析，表明所设计的负载模拟器完全满足伺 服机构的地面负载模拟实验，而所建立的理论模型也 与实验结果一致，理论上的仿真计算准确性为今后的 负载模拟系统的研制和调试奠定了基础。 参考文献： ［１］延皓，李长春，陈策．伺服机构综合负载模拟实验系统 ［Ｊ］．兵工学报，２０１２，３３（５）：５８８—５９３． ［２］ 张洁，孙凝生．运载火箭伺服机构负载与空载特性间的转 换传递函数［Ｊ］．航天测控，２００２，（２）：１２—１６． ［３］ 郝经佳，赵克定，许宏光．刚度、惯性负载对电液负载仿真 台性能影响的研究［Ｊ］．中国机械工程，２００２，１３（６）：４５８ —４６０． ［４］李瑞，贾建芳，杨瑞锋．负载模拟器控制策略的研究综述 ［Ｊ］．液压与气动，２０１２，（１０）：１２—１６． ［５］ 朱晓敏，延皓，孙萌．多自由度伺服机构负载模拟系统建 模与实验研究［Ｊ］．兵工学报，２０１１，３２（５）：６０２—６０６． ［６］ 尚耀星，吴帅，焦宗夏，王晓东．基于极限性能要求的电液 负载模拟器多刚度与非线性复合数学模型［Ｊ］．航空学 报，２００９，３０（７）：１３３１—１３４０． ［７］ 李洪人．液压控制系统［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９０． ［８］刘长年．液压伺服系统的分析与设计［Ｍ］．北京：科学出 版社，１９８５．
