（机械电子工程专业论文）减摇鳍加载系统控制方法研究.pdf

嗡笨滨工程大学硕士学位论文 b l l i i r li i i i i i i i ；i i i i i i i i 目l 摘要 疆摇鳇电滚受载傣囊台怒瘸子摸数减援缝瑟受隶动力载蓑静臻爽竣备， 葵功能是在实骏室的条件下，模拟船舶航行过程中减摇糖所受的海浪水动力 裁荷谱，从而梭测减摇鳍驱动系统的技术性能指标，将经典的自破坏全实物 安验转毽为在蜜骏室条释下的半实携预溅魏实验。壶予减摇缝电渡熬载谤真 螽属于典型的被动式电液力简服系统，加载系统中存程的多余力干扰楚负载 仿真台研制过程中的主要技术难题。如何最大限度地减小干扰力，提高加载 系统的动静态瞧戆据蠡是当蕊磅究豹关镳点。 首先，在森阕大量国内外资料的基础上，概述了图淹羚电液负载仿真台 的发展现状，分析了它们的忧缺点，通过对国内外负载仿真台产品的对比， 确定了本文熬研究方囱。 然后，建立了减罐鳍毫液负载仿真台的数学模鍪并进行简化处瑗，对其 控制性能进行了理论分析，研究结构参数与控制性能的关系。从动力元件的 动静态特性出发，揭示多余力的产生规璎强本质特征，分孛厅多余力的影响因 索及多余力对麴载系统控锫争睫能的影响俸璃，寻找最蠢效静克骚多余力、提 高控制性能的遗径。 其次，设计了减摇鳍电液负载仿真台动力元件，对擞载系统多余力特性、 寄挽及无撬将後、动态及静窳特性等控制缝箍进行了侮粪分辑，著分辑了克鞋 载梯度、伺服阀动态特性与加载系统控制性能之间的关系。采用内模控制方 法克服多余力予扰，从而改饕电液负载仿真台的控制性能。 最蓐，对减缮鳍电液受簸仿真台送行静态帮裁态鸯嚣载精度实验，_ i 鑫过实 验得出减摇鳍电液负载仿真台的动静态性能指标，证明本文提出的提高减摇 鳞电液负载仿真台综合控制蚀能方法是裔效的。 菠键词：减摇礁：电液负载仿真台：多余力；内模控制 峻尔滨工程大学硬士学整论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o - h y d r a u l i cl o a ds i m u l a t o ro ff ms t a b i l i z e ri sap h y s i c a l h a l f - o b j e c t i v es i m u l a t i v es y s t e m i t sf u n c t i o ni st os i m u l a t e ，u n d e rl a b o r a t o r y c o n d i t i o n s ，d i f f e r e n tk i n d so fh y d r o d y n a m i cf o r c ee x e r t e do nt h ef i ns t a b i l i z e rs o a s 协d e t e c tt e c h n i c a lp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ed r i v i n gs y s t e mo ff i ns t a b i l i z e r t h u st h ec l a s s i c a ls e l f - d e s t r u c t i n ga l l o b j e c t i v ee x p e r i m e n tw i l lb ec o n v e r t e dt o h a l f - o b j e c t i v ef o r e c a s t i n ge x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r yt oa c h i e v et h ea i m ss u c ha s s h o r t e n i n gl e a dt i m e ，s a v i n gd e v e l o p i n gf u n d s ，e n h a n c i n gr e l i a b i l i t ya n ds u c c e s s p r o p o r t i o n 。a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f s e an a t i o n a ld e f e n s ea n ds h i pi n d u s t r y , t h ee l e c t r o h y d r a u l i cl o a ds i m u l a t o ro ff i ns t a b i l i z e rw i t hh i g hp e r f o r m a n c e si s u r g e n t l yd e m a n d e d b e c a u s et h ee l e c t r o - h y d r a u l i cl o a ds i m u l a t o ro ff i ns t a b i l i z e r i sak i n do f t y p i c a lp a s s i v ee l e c t r o h y d r a u l i cf o r c es e r v os y s t e m ，t h el a r g es u r p l u s f o r c ec a u s e db ys t r o n gd i s t u r b a n c eo ft h ef i ns t a b i l i z e rd i s p l a c e m e n ts e r i o u s l y a f f e c t st h es t a t i ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cl o a d s i m u l a t o r n o wt h ek e yp o i n ti sh o wt oe l i m i n a t et h es u r p l u sf o r c ea n di m p r o v e t h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e so f t h ee l e c t r o - h y d r a u l i cl o a ds i m u l a t o r a f t e rs y n t h e s i z i n gn u m e r o u sr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n dr e f e r e n c em a t e r i a l sh o m e a n da b r o a d ，t h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n do v e r s e ae l e c t r o h y d r a u l i cl o a d i n g s y s t e mi ss u m m a r i z e d ，a n dt h em e r i ta n ds h o r t c o m i n gi sa n a l y z e d 。t h es t u d y i n g d i r e c t i o ni sd e c i d e dt h r o u g hc o m p a r i n gd o m e s t i cp r o d u c t sa n do v e r s e a sp r o d u c t s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fs u r p l u sf o r c ei sa n a l y z e di nd e t m l i tc a n b es e e nf r o mf o r m u l ad e r i v a t i o nt h a ts u r p l u sf o r c eh a sc h a r a c t 巍s t i c so f h i g h o r d e rd i f f e r e n t i a t e e l i m i n a t i n gd i s t u r b a n c eo fs u r p l u sf o r c e si sa na v e n u et o e n h a n c el o a d i n gp e r f o r m a n c e i ts h o u l df i n do u tp o s i t i o na n di n f l u e n c eo fl o a d i n g g r a d i e n tb ya n a l y z i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l 。h e n c e ，g a i no fd i s t u r b a n c ec h a n n e l c a r lb ed e c i d e db yl o a d i n gg r a d i e n t t h ed i s t u r b a n c eo f s u r p l u sf o r c ei sm a i nc a u s e o fi n f l u e n c i n gl i t t l el o a d i n gg r a d i e n t s ，m a do r i g i n a lf a c t o r so fl o a d i n gs y s t e ma l s o i n f l u e n c et h e m 埝容滨工程大学矮学盈论文 t w om e t h o d sc a l le l i m i n a t es u r p l u sf o r c ea tn o w o n em e t h o di st os e t t l e s u r p l u sf o r c et h r o u g hs y s t e ms t r u c t u r e ，t h eo t h e ri st oc o m p e n s a t et h e mb yu s i n g c o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h a tt h el a t t e ri sa d o p t e di nt h ed i s s e r t a t i o n b e c a u s e t r a d i t i o n a lp i dm e t h o dc a r l t a d a p ts y s t e mp a r a m e t e r v a r i a t i o na n da d j u s t p a r a m e t e rc h a n g e si nt i m e ，t h ei n t e r n a lm o d e lc o n t r o li sp u tf o r w a r dt h a th a sf i n e r t r a c kp e r f o r m a n c e ，s t r o n g e rr o b u s ta n dc a l lr e s t m i n ts u r p l u sf o r c eu n m e a s u r e d b e t t e l w eg oa l o n gw i t hs i m u l a t i o nr e s e a r c h e so nc h a r a c t e r i s t i c so fs u r p l u sf o r c e w i t hd i s t u r b a n c ea n dw i t h o u td i s t u r b a n c e ，i t sd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e 。 e x e r t i n gi n t e r n a lm o d e lc o n t r o ls t r a t e g yo ne l e c t r o h y d r a u l i cl o a ds i m u l a t o ri st o i m p r o v ec o n t r o lp e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n t sc a l i b r a t em e a s u r i n gc o m p o n e n to f e l e c t r o - h y d r a u l i cl o a ds i m u l a t o ro ff i ns t a b i l i z e r i tc a l lb ep r o v e dt h a tc o n t r o l m e t h o di se f f e c t i v et oe n h a n c es y s t e mp e r f o r m a n c eo fe l e c t r o - h y d r a u l i cl o a d s i m u l a t o ro ff i ns t a b i l i z e r k e yw o r d s ：f i ns t a b i l i z e r e l e c t r o - h y d r a u l i cl o a ds i m u l a t o r ；i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ： 眯一音r 日期：文一s 年，月c ) 1 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 电液负载仿真台是属于电液力或力矩的伺服控制系统，它可以在实验室 条件下仿真承载对象要求的力或力矩。由于其将电器控制和液压控制两者的 特点结合起来，可以精确地复现复杂的、快速变化时的力或力矩载荷谱，因 此在许多领域获得了广泛的应用。例如导弹舵机所受空气载荷、船舶舵机的 海浪负载、潜艇水下天线所受海水的负载、大型升降机在升降过程中所受的 载荷、飞机起落架在不同的飞行高度和飞行速度下所受的空气动力载荷、农 机具在耕作时所受的土壤压力、采矿机的牵引力和行走机械的刹车力等【l 。6 】。 减摇鳍是一种减小舰船横摇、提高舰船作战能力的有效装置。减摇鳍电 液负载仿真台是模拟减摇鳍运动时所受海浪载荷的装置，是为减摇鳍的研制 开发工作服务的，它的功能是模拟减摇鳍鳍片在不同攻角时所受到的海浪的 作用力，并将此力实时地旋加于鳍片，从而检测出减摇鳍控制系统的技术性 能指标，以达到缩短研制周期，节约研制经费，提高可靠性和成功率的目的。 海湾战争中，大部分的巡航导弹是由航母及大型作战舰艇发射的。这就 使世界各国清楚地认识到，空中力量固然重要，但完成海上发射时的根本基 础一行进中舰船的稳定性也很重要，作为减小舰船横摇的减摇鳍控制装置将 发挥越来越熏要的作用，因此作为考核减摇鳍性能指标的高性能电液负载仿 真台的研究已成为当务之急。我国在电液负载仿真台的研究方面起步较晚， 对加载系统的一些理论问题，特别是多余力或多余力矩问题的研究还不是很 成熟，有待于进一步深入分析和研究。 总之，本课题的确立不仅具有重大的理论意义，而且具有工程实用价值。 蜍拳溪工程夫学疆士学盘论文 1 2 电液负载仿真台的工作原理及组成 电液受簸仿真台可淤楚液压马达驱麓，遣可蹶楚渡篷缸驱魂，甚至是电 机驱动，视其输出结果和功率而定。当加载系统输出是直线位移时，位置扰 动产生的是多余力，当加载系统输出怒角位移对，饿澄扰动产生的是多余力 矩。本文潋液蓬缸驱蘸鸯窀橇为铡篱要谖鞠负载傍囊螽瓣基本工稼簸璞。 1 ，8 一电液伺服阀；2 一电位计；3 舵机；4 舵机驱动缸；5 一函数发 生器；卵嘞1 1 载控制器；7 加载缸；9 力传感器 霞1 1电液负载傍粪台结耩覆瀵滢 图1 1 憋典型的电液负载仿真台缡构简图“1 。图中右侧为舵机控制系统， 用予控毒8 舵枫豹位移，意测是舵枫魏馥系统，用予绘舵掇魏载。鞭者均通过 传感器刚髓撼与舵祝连接在一起。加载系统是由力反馈测量装嚣构成的闭环 控制系统，其输入、反馈、比较控制储号均采用电器元件控制，从而构成电 液力伺服控制系统。在这个系统中，舷枫是被热载对象，它疑按盘身的运动 规律独立远韵，同时又撼动施力于它斡液压挠行穗构和其一超遥幼，它运动 的位移经力函数发生器变换后作为加载系统的输入指令信号，力幽数发生器 应使施力函数满足和舵机逶动摺关的瀚数关系。加裁系统的输出力可以用力 传感器壹按溯量，氇露辍鬻压力传感嚣瓣接测薰。j 萋攘滚量静精度嵩，毽安 装力传感器黹要增加连接环节，而间接测量虽无需连接环节，假要转换才能 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 得到反馈力，所以精度较低。液压控制是加载系统的核心，它的性能直接关 系到加载系统的控制性能，为满足高频响、高精度以及减小多余力的要求， 一般采用电液伺服阀作为控制元件。液压执行机构采用液压缸或马达，其工 艺性较好且造价较低，电子控制器完成电信号的校砸和放大。除此之外，因 简单的闭环控制很难实现高精度控制，为了克服多余力和改善系统的控制性 能，还可以增加电器和结构补偿环节。 舵机电液负载仿真台是典型的被动式力伺服系统，由于存在舵机运动的 干扰，使得控制变得更为复杂。由于加载系统的力指令信号是由主动运动时 舵机位移产生的，而舵机的运动将使加载系统中产生强迫流量，由此而引起 多余力，这种多余力的混入将严重影响加载系统的控制性能，只要舵机运动， 这种扰动就不可避免，特别是在启动和换向时，甚至会产生很大的多余力冲 击，使系统无法正常加载。因此必须采取适当的措施消除舵机运动的扰动对 加载系统的影响，这将是电液负载仿真台最关键的问题”。若舵机停止运动 或运动非常缓慢，即在静态加载时，电液负载仿真台的加载系统不再受舵机 运动的干扰，这时和通常的主动式加载系统是一样的。 1 3 国内外电液负载仿真台发展概况 国内外学者对电液负载仿真台的研究主要是针对导弹及飞机的舵机，至 今已有数十年的历史，而对减摇鳍及船用舵机的负载仿真台研究尚未见报道， 由于气体与液体在有些性质上具有相似性，两者在技术特点上也具有相似性。 但液体的可压缩性较气体的可压缩性小的多，而密度却大的多。因此船用负 载仿真台又有其自身的特点。尽管如此针对国内外学者提出的飞行器电液负 载仿真台的主要技术问题仍适用于船用电液负载仿真台。 1 3 1 影响电液负载仿真台的主要技术问题 1 多余力的存在严重影响加载系统的控制性能。电液负载仿真台的加载 蹬容滨工程大学霉 学位论文 系统和鳍驱动系统是刚性连接在一起的，当鳍主动遐动时，必然对加载系统 产生强位置扰动，引起多余力，其数值随着位置扰动速度的增大而增大，在 窟魂或挟交戆雯舞严重，耱嗣是奁毒鸯l 鼗禚度霹，多余力霹篷会淹没热载力。 多余力的存农给系统带来一系列的不良影响。 2 点点跟踪力函数困滩。电液负载仿真台的加裁系统要求输出的是减摇 缱缝冀在鼹麓蔫速簸行过稷中其掰受戆水动力，一般羧入莹号是援慧熬函数， 精确地复现该函数要求加裁系统是高阶无静差系统。被动式加载系统，高阶 无静差不是简单可以实现的，且动、静悫特性兼顾亦比较困难，特别在高频 迳动对，复瑰精度受秘戳豢特别是多余力兹影稳较大。 3 构参数复杂多变。鬣换不同螫芍的减摇鳝必将弓l 起加载系绕结构参数 的变化。对电液负载仿真台来说，要求回路的增益和补偿环节必须加以调整 以保持所需的魏载耱度翻蹶瘦特性，融予期载对象镪摆在加载系绫的翅环之 内，且为不稳定的二阶徽分环节，这就使得加载系绕瀚控制交得复杂和困难。 4 小加溅梯度下加载灵敏度难以保证。电液负躐仿真台加载系统控制性 能和加载梯魔有直接关系，小梯度加载时，各种影响因素都将变褥漫著起来。 对于被魂式加载系统来说，影响霞素较势复杂，难甄爝篱萃酶提麓系统增益 来调整。如果多余力消除不好，其就会在加载力中占有的比例增大。使得加 载系统的分辨率降低，加载灵敏度难默保证。 1 3 2 主爱技术问题的解决办法 电液受菠铸真台研究巾存在豹主要技术遥疆几乎都与多余力露关，总体 说来，克服多余力的方法基本上分为两大类，一类魑结构补偿方法，另一类 是控制补偿方法。结构补偿方法是从加载系统的硬件( 机械) 结构入手，通 过增热辘助环节：控制毒 偿方法是扶掇制策磅入手，采用孙偿瘸络在加载系 统中产生附鑫e 控胄l 作用。璇将两类朴馁方法归纳鲡下： 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 1 结构补偿方法 结构补偿方法主要包括以下几种方法： 1 安装连通孔 安装连通孔是为了克服国内生产的压力伺服阀和大预开口流量伺服阀的 性能不稳定，频响较低，无法满足负载仿真台的要求等缺点而采用的补偿方 法1 8 j 。无连通孑l 零开1 ：3 流量阀，在阀芯位置一定的情况下，压力对流量变化 敏感，安装连通孔后，压力受流量变化影响较小。由流量变化引起的压力变 化大大减少，可以极大地降低多余力的量值。 2 缓冲弹簧校正 缓冲弹簧校正就是在对象和施力系统之间的机械联接处加一弹性环节， 调节承载对象与施力系统之间的连接刚度 9 】。连接刚度的降低，可以延缓承 载对象位置运动对施力系统的干扰作用，从而减小多余力( 力矩) 。适当选择 弹簧刚度，可以在一定范围内起到克服多余力( 力矩) 的目的，使多余力力 矩幅值衰减、相位滞后。但是，缓冲弹簧的加入对加载系统的频宽也会产生 影响，导致系统的快速性降低。 3 蓄压器校正 蓄压器校正的工作原理是在加载缸的两腔分别连接一个蓄压器，当承载 缸运动时，加载缸的两腔压力就会发生变化，其中，压力升高腔向所连接的 蓄压器释放一部分流量，而压力降低腔则从所连接的蓄压器内补充一部分流 量，这样就卸荷了一部分强迫流量，使多余力降低【1 0 1 。 4 双阀流量补偿 双阀流量补偿控制的原理就是在加载系统的执行( 加载) 油缸的两腔相 对于加载伺服阀的位置并联一个流量补偿刚1 1 】。 流量补偿阀的指令信号可由加载侧角速度传感器给出，也可由驱动侧角 速度传感器给出，前者被称为“双阀反馈补偿方案”，后者被称为“双阀前馈 补偿方案”。其本质上都是将与舵机轴速度成比例的强迫流量转移到加载马达 咯尔滨工程大学硕士学位论文 薯昌_ - 赫_ i _ 薯蕾皇薯i 皇皇宣崔_ 萱日置_ 置置高眷黑_ _ 薯_ 宣斟墨叠j 置i 嵩蕾獬攀置置墨_ _ - 一 的另腔，借以抵消强迫流量，从而消除多余力矩干扰。 馥褥注意夔是，双阀蛰偿中黪嚣个弱骚瀛参数要匹配合溪，否虽| l 会影嚷 消除多余力矩的效果。 5 饿置同步补偿 位嚣露步孝 偿受鼗仿真台帮遥豢的受鼗镌囊螽兹主要区裂是，在热簸舄 达和蒸廉之间引入一个位置同步 偿马达，阍步马达与舵机受同一指令控翻 而同步远动，使原来由加载马达承担的加载和撼动任务分别由加载马达和同 步马：逡采承担，使褥馋用在加载马达上的位置扰动接近于零，原来的被动或 翔载邋似于主动式绷缓，从丽消除干挠力矩静影响 ”。 1 3 2 2 控制补偿方法 鹜藏，控翻孝 傣主要包括粥下凡秘方法： 1 结构不变性原理 采用结构不变性原理克服多余力的方法是北京航空航天大学自动控制系 在7 年筏末箍窭采豹。结秘不变魏缀瑾克疆多余力靛本凌蹩遥_ 遘对热载对象 的速度信号进行反馈，来达到消除多余力的目的，这是电液负载仿真台中普 遍采用的克服多余力的方法 1 2 - 1 3 。 2 。辘韵霜多癸绥方案 辅助同步补偿原理 1 4 就是在加载系统中增加了一个位鬣补偿环节，将 承载对象( 舵机) 的输出信号引到力函数发生器，产生加载系统所需的指令 售号。露对将舷援豹辕入| 凳令售譬弓l 到趣载系绞，霞热载溃缎主动地与舷瓿 一起运动，达到消除多余力的目的。 3 开一闭环同一性理论 掰潺戆“于卜 j l 丽霜一性理谂”属于吉典控镑理论方法。它静基本王终 原理怒：当系统处予动态对呈歼环状态，静态补偿网络处予断开状态，随而 可使系统的快速性达到开环不变部分的极限僦；当开环不变部分具有某燃缺 陷或动态性不好瞬，可趣入动态章 偿网络进行校正，使校正后的开环( 称 6 哈尔浜工程大学硕士学位论文 为等效开环) 具有完善的动态品质；当系统进入稳态时又自动地变成了闭环 系统，而且相当于i i 型系统 1 5 q 7 】。因此，系统具有很高的稳态精度，能够高 精度地跟踪斜坡函数。 4 混合控制方法 所谓混合控制方法是指按照控制职能分工设计控制器，控制系统中包含 多种控制方法的一种控制方案【1 8 1 。 总体说来，结构补偿方法结构比较复杂、成本高。但由于多余力( 力矩) 是外部强扰动，而结构补偿方法不易受外界因素影响，抗干扰的能力较强， 因此，这种补偿方法更趋合理性。与之相比较，控制补偿方法成本低，调节 和控制比较方便，但由于多余力( 力矩) 具有微分特性，要想实现多余力( 力 矩) 的有效补偿，补偿网络往往需要含有高阶微分环节，这在物理上是难以 实现的，而且易于受高频噪声的干扰，所以一般仅能实现近似补偿。 1 3 3 国内外电液负载仿真台发展现状 1 3 3 1 国内一些电液负载仿真台产品 图1 2 负载仿真台结构简图 洛阳0 1 4 中心1 9 8 8 年自行设计了一台导弹舵面空气动力负载仿真台如 图1 2 所示【1 9 】。该负载仿真台的独特之处在于：一是采用两个直线油缸形成 力偶对舵机加载；二是采用了压力流量电液伺服阀，由一个阀驱动两个油缸， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 两油缸油路采用交叉联接。使油缸的活塞杆运动方向相反。这样可以有效地 抑制多余力矩。该负载仿真台为了有效地克服多余力矩，在舵机与加载驱动 轴之间串联了一个低刚度的弹簧杆，同时在控制方法上也采取了一定的措施， 加载系统采用了速度和位置辅助补偿来消除多余力矩。 哈尔滨工业大学机械工程系对电液负载仿真台进行了多年的研究，对加 载系统的克服多余力和提高控制系统的性能进行了大量的理论分析和实验， 创造性地提出了带有位置同步补偿系统的新型的电液负载仿真台。 北京航空航天大学在1 9 9 0 年为航天部二院研制了一台y c l ( _ i 型导弹空 气动力负载仿真台，它包括四个独立的加载通道，每个加载通道均由摆动式 叶片马达、应变片式扭矩传感器、电位计等组成。此负载仿真台使用了d y s f 一3 q 型零开口流量阀，采用了所谓新的开一闭环同一性理论提高系统的控制 性能，采用结构不变性原理克服多余力矩。 哈尔滨工业大学动力系研制出一台舵面空气动力负载仿真台原理样机。 另外，1 9 9 6 年北京理工大学研制了一台四通道液压负载模拟台，1 9 9 8 年西北 工业大学为航天部三院落三部做了一套负载仿真台。 1 3 3 2 国外负载仿真台的发展概况 在国外，负载仿真台的研究起步很早，已有相应的产品应用于实际生产。 在这里重点介绍七十年代初，日本学者池谷光荣先生首先建立了电液负载仿 真台加载系统原理样机，如图1 3 所示【2 ”。这种电液负载仿真台采用两个压 力传感器来测量加载油缸两腔的压力，以其压力差值反馈代替力反馈。此外， 还分别采用了p i d 控制、解耦控制、模型参考自适应控制等方法。通过分析、 实验得出的结论为：加载梯度越大，则频宽越宽；提高油源压力，选用压力 对流量不敏感的伺服阀，这对提高加载系统的频宽有利。 国外学者对飞行器舵机空气动力负载仿真台进行了大量的研究工作，在 消除多余力( 力矩) 方面提出了许多方法，并且收到一定了一定的效果。 哈尔滨工裰大学硕士学彼论文 圈1 3 毯本静一静负载仿真台静结构原理圈 1 。4 烹要技术评价指标 电液负载仿真台的研制和应用的历史还不怒很长，目前还没有统一可碍 的技术评价指标，国内外不同的研究者对技术指标的理解和表示的方法不尽 胡羁，褥累同凄楚貔邀滚受载镑嶷套穗重戆方翔氇毒差剐。大致懿下： 1 、最大输出力、最大位移、最大速度、负载质量、最大舵机尺寸反映静 态能力的技术指标是统一的。 2 、鸯l 载撵度怒攘绘定熬力载薅港与鸵瓿蹙移懿蘧数关系，宅由力遴发 生器、力传感器和德移传感器三糟所决定，瑶两者均是由系统本身确定的常 数，所以加载梯度主藤由力函数发生器来调撼。一般技术指标给定的加载梯 度是攒线性热载梯发，朝最小线憷梯度至最大线性搽度范爨，露最小麴载梯 度应整在满足加载系统动静态性能前提下的加载梯度的最小德。 3 、克服多余力能力的技术指标描述方法较多，国内较多采用的是消扰系 数，嚣； 9 晗尔滨工程大学硕士学位论文 f ， 和表( 1 - 1 ) 式中：，i 多余力n ； 蔗。加载缸面积m 2 ； v 。如载敬逮度m s 从j = 式可以看出，消扰系数为单位流量负载压力值，它反映了系统抗干 撬熊力。毽饺鼓系数走还不壹瓣遮轰映系统溃滁多余力懿程度，瑟毅又套 了消除多余力百分比的技术指标： 磊：f i , 。- f i 业1 0 0 ( 1 - 2 ) f ，l 式中；一。消扰前多余力，n 。 e ，一消扰后多余力，n 。 消除多余力百分比的技术指标显示采用补偿措施后，猩一定频率下，多 余力的消除量占原系统多余力的酉分比。这个指标的给出盥接反映多余力的 淡除纛度，一般电滚受载傣寞奁产燕均是以藏嶷接绘崮戆。 多余力的消除指标是电液负载仿真台最璧舞的技术指标之一，多余力存 在的大小几乎影响加载系统的所肖控制性能。( 1 - 1 ) 式中侧黧系统自身的抗干 扰能力，露式( 1 - 2 ) 侧重多余力的游除程度。 3 、率响应是鞠簸系统重要的韵态技术指标，国内外的攒标有所同。圈内 常用在有扰工况下幅值变化小于士1 0 、相移小于1 0 。时的频宽作为衡缀系 统的动态指标。无扰频宽注重的怒烟载系统鑫囊的控制能力，有较好魄邋照 往。辩予被动式翻载系统，有撬频宽更髓反映实舔工况。毽圜多余力兹存在， 有扰频宽和加载梯殿有关，加载梯度大，多余力占有量小，系统的频带宽， 反之亦然。所以有揽频宽必须是谯特定加载梯魔下的频宽。 1 0 晗尔滨工程大学硕士学位论文 4 、躐精度包括静态加载精度和动态加载精度。静态加载精度是通测得的 不露舷攮位移下实黪簸窭力穗理论竣出力静最大蓑篷亲确定。动态壹嚣载麟发 应是加裁力跟踪菜一动态信号的误麓，由于很难确定统一的跟踪信号，而且 动态加溅精度还和加城梯度有关，所以也就很濉确定统一的幼态误差衡量标 准。 1 5 论文的主要工作 本文将在以下凡个方面开展研究工作： 1 、电液负载仿辫台数学模型的建立。 2 、深入分板开闭环频率特性，分板多余力对系统特性的影响 3 、p i d 控裁算法在热载系统巾辩消豫多余力静 乍角。 4 、运用内模控制算法在加载系统中对消除多余力的效果。 5 、将两种补偿方法在无扰系统中的控制作用进行比较。 6 、辩半实耱镌疆傍囊台鹣传感元俘迸雩亍搜正，劳遴行静、动态实验。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章减摇鳍电液负载仿真台性能分析 2 1 引言 减摇鳍电液负载仿真台是用于减摇鳍半实物物理仿真的加载装置，除了 具有一般加载系统的特点外，还具有自身独特之处。由于减摇鳍是实际应用 的产品，而海浪的扰动力必须由加载装置根据不同的海况模拟出来，所以对 此系统要保证其趣好的控制特性并达到较高的技术指标，必须对其进行深入 的理论分析和研究。 2 2 加载系统数学模型的建立 本文所研究的减摇鳍电液负载仿真台如图1 1 所示。它是由某型减摇鳍 的实物及加载装置组成，减摇鳍驱动装置为泵控缸系统，它由一变量泵控制 两根非对称缸经过摇臂使鳍转动，加载装置则由伺服阀控制两根非对称缸以 及力传感器等元器件构成。 减摇鳍电液负载仿真台的等效负载控制原理如图1 1 所示。2 。2 “。图中舵 机右侧部分为减摇鳍驱动系统，舵机左侧部分为加载系统。 从图中可以看出，电液负载仿真台主要由非对称液压缸、电液伺服阀、 电子控制器、力传感器等四部分组成。为了便于数学公式的推导，可以忽略 一些对系统影响比较小的次要因素，做如下假设： ( 1 ) 滑阀为理想零开口四通阀，四个节流窗口是匹配和对称的； ( 2 ) 节流窗i ：1 处的流动为紊流，液体压缩性的影响在阀中予以忽略； ( 3 ) 液压缸为理想的非对称缸，并且每个相应工作腔的各点压力相同， 油液温度和容积弹性模数可以认为是常数； ( 4 1 油源供油压力恒定，且回油压力为零： ( 5 ) 所有连接管道都短而粗，管道内的摩擦损失、流体质量影响和管道 咯尔滨工襟大学硕士学位论文 动态忽略不计。 2 2 动力元件的基本方程 基予以上的假设，对图1 1 所示的加载系统进行分析， 绞动力元 孛豹三个纂零方程。 1 阀的线性化流爆方程： 包= k q x ，一k 。r 2 。滚莲疑滚量滚续瞧方程： 可以得出加载系 绒2 彳m s y m + c 瑚只t + 麓叱 a 。= 2 a 女一4 3 + 蕊载缸力平衡方程： 瓦= 艺a 。= m s 2 y 。t 如s y 。+ k ( y 。一y ，) 式中： 骁阀的负载流量，甜s ； 鼠粪静滚蓬璜盏，m 2 l s ； x 。阀芯的开口量，i n ； 足，阀的流量压力系数，m 5 n s ； 霹撩鼗淤囊魏受鼗蓬力，n m 2 ； 4 。加载油缸的活塞总有效面积，n f ； 以加载缸活塞头端面积，l n 2 ； 蠢，鸯i i 载瓤溪塞杼铡黪终震霞积，矗； y 。如载油缸的位移，m ； c 0 加载： 由缸总的泄漏系数，m 5 n s ； 圪加载漓缸腔、阕腔翻连揍管道的总容积，矗； 玩等效辫积弹性模量，n l m 2 ； m 加载油缸轴和负载的总质量，k g t 露。如载油缸和负载的糍性阻尼系数，n s l m ； ( 2 * 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 自i i i i i i i i i i i j e _ _ _ 目目* 黼i 覃i i j _ i i 一 联二一加载油觚和负载等效刚度，n m 墨缝鲶像穆，m 。 由公式( 2 - 1 ) ( 2 3 ) 得到加裁系统动力机构的传递函数方框图2 1 a 图2 1 动力元 牛控制方框圈 根据上圈霹褥动力枫秘以流量为输入赡铃递函数： 冬生弓，十鲁s 十1 ) 墨十- k - s 弓 删2 互寰妾器蠢 式中：j 毛= k 。+ c 。总流量压力系数，m n s 。 2 。2 2 其它方程 1 电液伺服阀的输出流量对输入电流的传递函数为 1 4 哈尔滨工程大学硕士学谯论文 2 力传感器： 3 。懿子控毒l 器： u 叶= k | f l ，= k 。( u h u ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 4 力函数发生器； u = 磁，巧 q 堪) 式中：峨单位增益伺服阀的传递函数； 足。伺服阀的放大系数，m 3 s a ： 魏伺服阗瓣输出淀量，m 3 t s ； 厶伺服阚豹输入电流，a ： 0 3 v 伺服阀的固有频率，r a d s ； 厶饲服阕的阻尼比； 置，力赞感器转换系数，v n ； u 。力传感器的输出电压，v ： 墨，电子控制器增益，a f v i 移。力输入指令荣号，v ： 盯，力函数发生器增擞，v i m 。 伺服阀传递函数用二阶环节、一阶环节还感比例环节来表示，应视其固 有颓攀秘系统频宽麓裙对谴蠢定，螽瑟懿分耩将会发瑷，辩予受载谤冀螽来 说，不问性能的伺服阀对加载系统的控制性能鼹有决定性的影响。对于电器 环节来说，其动态特性和液压机械相比可以忽略，所以电器环节均用线性环 节来袭渌。壤据动力撬擒方疆圈2 ，1 窝公式往。5 ) ，2 一蛰，可黻褥蘩燕载系绫豹 控制方框图如图2 2 所示。图中可以清楚地表明了组成电液负载仿真台的各 环节以及它们相互作用的关系。从图中可以看出，无鳍位置酢扰动时，和一 般兹力控割系统莛一襻瓣。囊卷焱缝位置挽凌瓣，袋鲞撬凌楚逶遂受载俺逡 哈尔滨工襁大学硕士学位论文 到加载系统，在油缸工作腔形成强迫流量，强迫流量将在被封闭的油缸胶中 弓l 起多众力。 2 2 。3 数学模型简化 图2 2 加载系统控制方框图 在定条件下，对电液负载仿真台的数学模型进行简化分析，并且忽略 影响较小的部分和频带较宽的环节，在系统性黼分析，特别怒在定性分析对， 将袁弱予更有效遥分褥系绞我主蘩将往，掭往巍解决主要矛瓣。 对于动力元件来说，负载的率占性摩擦系数b 。很小予以忽略，可以得到动 力元件的基本参数。 滚愿嚣毒频率； 渡压匿尼眨： 波雁弹簧冈度： = ( 2 * 9 ) 色= 鲁厚 p ， 1 6 簪 哈尔浜工程大学硕士学位论文 ；掣( 2 - 1 1 ) 静态速度刚度： k a 2 x j r a 。( 2 - 1 2 ) 负载的机械振动频率： 旷携 ( 2 - 1 3 ) 同时定义： 动力元件一阶环节转折频率： 卟雨k k hi 去( 2 - 1 4 ) - 2 i 面i 动力元件二阶环节转折频率： 垆j 等- j 竽( 2 - 1 5 )吐钏叫1 2 、 动力元件二阶环节阻尼比： 岛= 色志 ( 2 - 1 6 ) 对于动力机构而言，一般情况下，动力元件的一阶环节转折频率远远小 于负载的机械振动频率，即。 。的条件是成立的。在此条件下，为更清 楚、方便地分析动力元件的动态特性和结构参数对其影响作用，将动力元件 的分母三阶多项式分解为一阶和二阶的因式乘积形式，加载系统控制方框图 2 2 可简化为图2 3 。 由于加载油缸和鳍运动油缸是通过力传感器刚性地与鳍轴连接在一起 的，其连接刚度很高，则其机械振动频率国，相对鳍的运动频率( 4 h z ) 要高 得多，若忽略负载的机械振动频率，方框图可进一步简化为图2 4 。这样， 动力元件由三阶环节变成一阶环节，这意味着鳍的运动将拖动加载油缸活塞 和其一起做无差运动，鳍位置扰动直接作用在加载油缸产生强迫流量而引起 多余力。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 动力元件简化控制方框图 图2 4 动力元件简化控制方框图 在加载系统中，伺服阀是控制的核心元件，由于鳍运动扰动的存在，伺 服阀的动态特性直接影响着多余力的大小和系统控制性能的好坏。因多余力 是由于强迫流量被封闭引起的，而且强迫流量作用在伺服阀之后，所以伺服 阀的动态特性直接关系到释放的程度和强迫流量产生的大小，也关系着多余 力的大小。本文采用上海七零四所生产的c s d y 3 型射流管式伺服阀，流量 为8 0 升分钟，其频率响应大于3 5 m d s ，而鳍运动频率一般小于2 0 r a d s ， 因此该伺服阀可简化为比例环节，忽略其动态特性。为了便于分析结构参数 的影响作用，将方框图2 2 改成单位反馈形式如图2 5 所示，其中负载机械振 动特性和伺服阀动态特性视具体情况作简化处理。 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 动态特性分析 图2 5 加载系统控制方框图 下面对加载系统的频率特性进行分析。已知加载系统的参数为 a 。= 7 6 8 x 1 0 。m 2 ； k 。= 2 5 3 1 0 1 1 m s n s ； = 5 8 3 7 1 0 一m 3 ： 屈= 7 1 0 8 n m 2 ； m = 8 1 7 k g ； k = 4 4 6 2 1 0 5 n m ： k 。= 3 6 1 0 。2 n 1 3 s a ： 仿。= 3 1 0r a d s ； 。= o 5 ； k 。= 9 3 1 0 。a v ； 琏2 1 5 6 2 5 v m ； k ，= 2 l f f 5 v n 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 1 无扰加载特性 主动加载是在无鳍扰动时的加载，分析无扰加载的目的是研究加载系统 本身所具有的控制性能。 2 3 1 1 开环频率特性 由图2 6 可得无扰加载系统吒对的开环传递函数为： k 。氓( s ) ( 二丁+ 1 ) 吲加i 孺墨( o r n 2 9 瓦2 s ( 2 切 一+ 1 ) ( 乓+ + l 缈12国2 式中： k 。= 足，k 。k ，争加载系统开环增益。 从上式可知，系统是。型系统，且存在一个二阶不稳定环节，若考虑伺 服阀的动态特性，则为五阶系统；若仅忽略伺服阀动态特性，则为三阶系统， 此时有一个实极点和一对复极点；若忽略伺服阀动态特性和负载的机械振动 频率，则为一阶系统，只有一个实极点。 菖 ； 善 差 1 一五阶；2 一三阶；3 一一阶 图2 6 无扰开环频率特性图 2 0 哈尔滨二亡稔大学硕士学位论文 将参数代入公式( 2 - 1 7 ) ，经计弹机仿真得无拭开环频率特性曲线如图2 6 赝示。葵中，莛线l 、2 窝3 分剐怒爨鞭阙为羰溪舔节、。骥瞧醛节窝毙铡黟繁 时仿真褥到的馥线。从蓝线1 和魏线2 可殴看出，负载的机械振动频率甜。将 开环频率特性分成两个区域，加载蕊统是不容许工作在国。的外部区域的，即 国。规定了工作频率盼上限。由于缝运动频率最懿在2 0 r a d s 左蠢，远小子搿。， 所 冀辩负载仿真台来说不会出现怒范围工作情况。 在2 0 r a d s 范围内，系统的简化对幅频特憔影响较小，但对相频特性影 响较大。现采用c s d y 3 型电液伺服澜，其固脊频率为3 5 r a