（机械电子工程专业论文）基于高速开关阀pwm控制技术的某飞机刹车系统的压力控制研究.pdf

中南工业大学硕士学位论文 基于高速开关阀p w m 控制技术的 某飞机刹车系统的压力控制研究 摘要 c 在飞机刹车系统中，已有的技术是采用伺服阀来进行控制，但由于伺 服阀存在价格昂贵、对油的质量要求高、以及控制系统体积庞大等缺陷，而 高速开关阀具有结构简单、质量小、价格低廉、抗污染能力强、工作可靠、 重复精度高、使用维护容易等优势。针对飞机对质量和体积的苛刻要求，考 虑到使用维护的情况，同时结合航空航天工业部6 0 9 所的九五攻关项目( 以 高速开关阀取代伺服阀来控制飞机刹车) ，本文对飞机刹车系统的p w m 压 力控制技术进行研究，其主要内容如下： 1 建立了高速开关阀开关动态过程的数学模型，以脉冲宽度调制 ( p w m ) 法和最优控制理论为基础，建立了飞机刹车压力控制系统 的动力机构数学模型，并进行了控制系统的数字仿真，与实测数据 进行了对比分析。分析表明数学模型的建立是正确的。 2 进行了实验系统的设计方案选择，完成某飞机刹车系统的实验系统 没计主要包括：液压控制系统设计、微机控制系统设计、放大器电 路设计、实验控制系统的软件设计。 3 进行了某飞机刹车系统的实验研究，完成对高速开关阀的性能测试 和实验控制系统的数据采集，同时对实验结果进行了分析，符合飞 机刹车的性能指标，达到了航空航天工业部6 0 9 所的要求，并得到了 航空航天工业部6 0 9 所的验收。 关键词：流体控制技术，脉宽调制，高速开关阀，最优控制 中南工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fp r e s s u r ec o n t r o lo nac e r t a i np l a n e b r a k i n g s y s t e m b a s e do 1t h ep w mc o n t r o lt e c h n i q u eo f t h eh i g l as p e e d 0 n 0 f fv a l v e a b s t a c t i nt h ep l a n eb r a k i n gs y s t e m , t h e p r e s e n tt e c h n o l o g y i st oa p p l yt h es e w v ov a l v e t op e r f o r mt h ec o n t r o lf u n c t i o n , b u tt h es g r v ov a l v eb e a r st h ef l a w so f h i g hp r i c e ， c r i t i c a lo i lq u a f i t ya n dl a r g ev o l u m eo fc o n t r o ls y s t e m w h e r e a st h eh i g hs p e e d o n o f fv a l v eh a st h ea d v a n t a g e so f s i m p l es t n l c t u r e , s m a l lm a s s ，l o wp r i c , e ，s t r o n g a b i l i t yt or e s i s tp o l l u t i o n , h i g hr e l i a b l y , g o o dr e p e t i t i v ep r e c i s ea n de a s ya p p l i c a t i o n a n dm a i n t e n a n c e i nt h el i g h to fh a r s hr e q u e s to fm a s sa n dv o l u m e ，a n dt h e c o n d i t i o no f u s a g ea n dm a i n t e n a n c ea tt h es a m et i m et oc o m b i n e dt o g e t h e rt h e n i n e - f i v ep l a no ft h ea 舒o n a u t i c sa e r o s p a c ei n d u s t r yd e p a r t m e n tn o6 0 9t ou s e t h eh i g hs p e e do n o f fv a l v et or e p l a c et h ev a l v et oc o n t r o lt h ep l a n eb r a k et h e p a p e r h a ss t u d i e dt h ep w m p r e s s u r ec o n t r o lt e c h n o l o g yo f a c e r t a i np l a n eb r a k i n g s y s t e m , t h e m a i nc o n t e n t sa l e ： lt oe s t a b l i s ht h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h eh i g h s p e e do n o f f v a l v e , t oe s t a b l i s ht h ed y n a m i cm e c h a n i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h e p l a n eb r a k i n g p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do t lt h ep w m m e t h o da n do p t i m a lc o n t r o l t h e o r y 2t 0p e r f o r mt h e d e s i g np r o j e c t s e l e c t i o no fe x p e r i m e n t a l s y s t e m , a n d c o m p e t e t h e c o r r e s p o n d i n gd e s i g n ：h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m , m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m , t h ee co fa m p l i f i e r , t h es o f t w a r eo f e x p e r i m e n t a lc o n t r o ls y s t e m 3t oa c c o m p l i s ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ep l a n eb r a k i n gs y s t e m , t h e f e a t u r em e a s u r e m e n to ft h eh i 曲s p e e do n o f fv a l v ea n dd a t ac o l l e c t i n go f 2 中南工业大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls y s t e m , a n dt h ea n a l y s i s o ft h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t st h e r e s u l t sa g r e ew e l lw i t hi n d e xo ft h e p l a n eb r a k i n gs y s t e m , s a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so f n o 6 0 9 a n d p a s s e di t sq u a l i t ye x a m i n e k e y w o r d s ：f l u i dc o n t r o lt e c h n i q u e ，p u l s e - w i d t h - m o d u l a t i o n , h i g hs p e e do n o f f v a l v e ，o p t i m a lo n t m l 3 中南工业大学硕士学位论文 第一章流体控制技术的发展概述 1 1 流体控制技术的发展趋势 本节主要介绍液压气动控制技术的发展简史、模拟式液体控制技术 以及微机通过流体脉冲进行数字控制技术的发展情况n 】。 1 1 1 流体控制技术的变迁 流体控制是通过高压流体传递能蹙进行控制的。它很早就在各个方面得 到r 应用。今天它已能准确、快速地控制大功率装置。电气一液压控制方 法是用液压产生很大的动力，通过电气进行复杂的信息处理，对高能量级系 统成商精度和高速度的控制法。为了能使控制实现高速、高效且可靠性高， 就很有必要使用能将电信号转换为液压输出的且性能好的电一液控制阀 因而，电一液控制阀系统性能的好坏，就取决于控制阀性能和质量的优劣。 流体控制的发展主要分为四个阶段：第一阶段是从公元3 世纪希腊一罗 马k e e s b i o s 发明了利用固定节流口流出水的流量来计算时间的水时钟开始， 直n t 4 世纪发明金属时钟为止。第二阶段是蒸气的压力控s f l * n 以压缩气体作 为信号传播介质的时期，1 7 5 0 年英国发明了浮子阀，将它用于家庭供水装置 水位调节和锅炉的压力控制。1 9 世纪研究了一大批流量控制阀和压力控制 阀，也有很多专利。第次世界大战时期，船舶机械的控制进入了高压化， 并波及到产业机械。第三阶段，随着交流和交流电气设备的发展，使用电动 机和线圈的电一液控制阀得到了发展，还从理论上论述了反馈控制概念， 从而开发出了可满足响应性和稳定性需要的伺服执行机构。 第二次世界大战以后，因航空航天工业急需小型伺服执行机构，1 9 4 6 年美国麻省理工学院研究出了力矩马达，它可以代替线圈的两级伺服阀。1 9 5 0 年w c m o o g j r 发明了由喷嘴挡板和三通阀组成的两级伺服阀。当相位滞后9 0 度时，其控制频率可达i o o i i z 现今正处于第四阶段，即从真空管过渡到采用 固体组件，进入了与电子计算机相组合的电子液压气动控制阶段。出现了模 拟式流体控制及脉冲式流体控制、脉冲流体控制是将电信号转换为可直接进 行控制的流体脉冲，从而使流体控制数字化，并已开发出了相应的控制设备 及软件。 今天，流体控制己应用到许多方面。图】- 1 为各行业应用范围对控制响 中南工业大学硕士学位论文 应速度和阀尺寸规格的要求。横坐标为相位滞后9 0 度时伺服阀的响应频率 综纵坐标为控制流量。般说来，气动控制适用与低频率输出的一般电气 一机械控制。随着新的电气材料，导电体材料的出现，在高速控制领域中 液压控制也必将显示出其优越性 压，# 、 引铮和- 。一 噩飒目孤军辅 仉卫 疲： 蜜验 “茸ji 凡 、 和j 羞删l芏心昂型 、目鞋艟制 、 一 - 。精j空删 、hv 一 “、 制薪酉 ( 气i】控制) t 相位滞后9 0 。时伺服阀的响应频率 h 控制系统的动态条件 图1 1 伺服阀的响应速度和控制流量的分类 图1 2 是液压控制系统在航空航天方面的应用范围，从图中也可以看出 在要求轻型化和高速化的场合采用了电一液控制。 一a一1)一撬窖蔷日里卜趣r日兽匠 中南工业大学硕上学位论文 、 、 航：te 帆 萑 i 、_ l -l j - j、 h 、 飞机ji 助控 飞甘主! ； d翼：制 、- y t ，jt 动机迸 j 璜，啼 z 7 。“ 制 、 u 藤科?i 导曹导早衷射装置 发嗣$飞lq 机枪自 、： e j ， 飞行趋r 娑署 1 _ 1 飞机前 授 i 摊 的ij 节 c摧 相位滞后g o o 时伺服阀的响应频率 h 控制系统的动态条件 图卜2 液压控制在航天方面的应用范围 1 1 2 流体控制的数字控制技术 近年来，微型计算机的普及不断促进新型液压、气动控制技术的发展。 在装配机械、注塑成型机、建筑机械、医疗机械、通信卫星用机械、运输机 械等方面。现在均可采用高动能的电子式液压，气动控制技术，对控制中所 需要的电子设备、液压、气动控制硬件和软件都需要进行研究。 表卜1 是从概念上对流体数字控制做了一个分类。从流体控制的观点 分，可分为连续性流体控制和脉冲流体控制两种。它们对控制阀和驱动阀的 电路都不相同。 在连续流体控制中，将运算处理的数字信号经d a 转换为电气或机械信 号，经过模拟式动作通过阀来控制流量。例如，由线性放大器驱动伺服阀的 比例阀。另外，步进电机操作阀中，在各激磁相上加一组脉冲信号，使骡杆 等直接同转子的旋转角起运动，从而连续地控制阀的位置。 另方面，脉冲流体控制是通过与位置信号相对应的一组脉冲信号直 接使阀作断一通动作，形成间断的脉冲流体，从而达到控制平均流量输出 的目的。 一d苫t|)删螃君茁鱼卜rr咀嚣蟹 中南工业大学硕士学位论文 噻毫 蛆 j l 磊照磊幕 曝举露磬鏖 婆 是籁是磐恨 脚蝴刮鼬 壹夏专爱蕈 藿 警枢殚髻山凸_ 屯凸一 丑 圈 圈 臻 蛙 避 翼 她囱幽固 萎 i “漫 瞧 稚 斗 斗 o 时阀1 、阀2 和脉宽时间差t p 的波形，图中阀1 和阀 2 的波形可以通过图3 - 1 0 ( c ) 中阀1 和阀2 的波形用下面的方法得到，将一个脉 冲宽度l p 加到阀l 和阀2 的波形上而从阀2 的波形上减去同样大小的脉冲，这 样便于可得到图3 1 0 ( b ) 中阀1 和阀2 的波形，最后将图3 一1 0 ( b ) 中阀1 的波形 中南工业大学硕士学位论文 减去阀2 的波形便可得到t p o 时脉宽时间差t p 的波形，可用同样的方法得到t p ( o 时脉宽时间差t p ，这种工作模式与工作模式( 2 ) 具有同样的缺点和控制 效果。 v l v 2 t p v 1 v 2 t p t c i ”写硪耳云刘 广1 广1 厂11 矿 ( a ) 厂 厂 厂厂 ( b ) 图3 1 0 工作模式( 3 ) 的p w m 言号 中南t _ , l k 大学硕士学位论文 第四章某飞机刹车压力控制系统的动力学模赳及其仿真 本飞机刹车压力控制系统研究的主要内容是单输入单输出p w m 压力控 制系统的分析与综合，而选择的仿真和实验验证对象是液压压力控制系统， 因而本章着重分析建立所研究液压p w m 压力控制系统的数学模型及其计算机 仿真。 4 1 飞机刹车压力控制系统的液压压力控制回路 本飞机刹车压力控制系统的液压压力控制回路如图4 - 1 ，为一个两位三 通高速开关阀组成的半桥式液压动力机构。 图4 一l 飞机刹车压力控制系统的液压p w m 压力控制系统回路图 4 2 液压高速开关阀的数学模型 本飞机刹车压力控制系统所用到的电液开关阀为h s v 型高速开关阀。实 验控制系统中高速开关阀的实验驱动回路原理如图4 2 所示。 高速开关阀因受电磁铁的开关响应能力及阀芯运动时间等因素的影响， 阀的有效过流面积不可能时时地跟随8 0 3 i c p u 的d a 发出的脉宽信号。通常 采用开启时间t 。和关闭时间t 。来描述阀的开关过程。事实上，t 。是由衔 铁吸合触动时间t ，和衔铁与阀芯的吸合运动时间k 组成；同样，t 。也可划 ! 里三些查兰堡圭兰篁兰兰 分为衔铁释放触动时间t ，和衔铁与阀芯的释放运动时间t 。_ 部分，如图4 3 所示。 u u 图他实验驱动回路原理图 避。 t 图4 - 3 以有效面积为输出的高速开关阀开关之动态过程 假定阀芯在吸合及释放过程中，阀芯的位移随时间呈线性变化，针对上 面的分析和假定，不难给出高速开关阀的数学描述。 j ，。= 0 ( f 一1 ) i - t - 0 一1 ) i + ， 警 f o 柚z _ ，l 】( 棚i + f o 一睨+ ，2 j _ o 1 ) i + ，l + ，2 - t - o 一1 ) i + f 。+ ，3 鲁卜) i - - t p - - 毛刊伊1 ) i 州鲻) i q + 屯+ 0 - a 一1 ) 瓦+ r 。十f 3 + f 4 f ，巧 ( 4 - 1 ) 上式中，乃为阀的阀芯位移，尼为阀芯最大位移，为p w m 周期，0 为 中南工业大学硕士学位论文 脉冲宽度。 4 3 飞机刹车压力控制系统回路动力机构的数学模型 流体p 1 】| m 压力控制系统的动力学模型由阀e l 流量方程和系统能量平衡方 程组成脚1 。在分析开关阕高频开关的系统中，管道中流体的非连续性对系 统动态的影响不能忽略，因此管道中流体的动态应予以考虑。 4 3 1 阀的压力流量特性 1 ) 电磁阀的p 专a 通过的流量q 。q 。2 1 由下式表示。 q 。，：c 。a 。、三旦趔 ( 4 2 ) yp 其中，q ，为流量系数，钆。为阀的开口面积，功为管路内的压力，见 为液压缸左腔的压力，p 为油的密度。 阀的开【_ i 面积a 。与阀芯位移以有关。 a v l l 刁乃s i n o 似仉s l n o - c o s o ) ( 4 3 ) 其中，砩习的半顶角，d 为阀座的直径，一为阀芯的位移。 2 ) 同样，电磁阀的a j t 口通过的流量由下式表示。 鼍。、墅 堕 ( 4 _ 4 ) vp 阀的开口面积a v l 2 与阀芯最大位移和阀芯位移只有关。 a 。f 河y f y j ) s i n o ( d _ ( y f y p s i n o c o s o ) t 妒曲 4 3 2 管路的压力流量特性 1 )管路1 ，2 的运动方程式如下。 鲁名咖一嘞q ， ( 4 _ 6 ) 警= 等姚 ) 其中，为管路内的流量，岛，为管路的截面积，p 为油的密 度，易为管路的管长，b 为供给压力( 一定) ，岛，岛为管路内的各压力， ，饧为油源到阀前管路的流量损失系数。 r f ；：堕( j ：1 2 ) u 邙可 ( 4 8 ) 中南1 业大学硕士学位论文 其中，v 为油的动粘度。 2 )各管路内的容积效果( 油的压缩性效果) 由下式表示。 。，掣警 限 咐群鲁 4 3 3 液压缸的连续性方程 1 ) 液压缸左腔的流量为q v 。广q 。2 方程式o n l 。 ，嘞。专警 “- 1 1 ) 其中，v a 液压缸左腔的体积，k 为油的体积弹性模数，见为左腔的压力。 4 3 4 无因次化 对以上各式进行无因次化，得以下各式。 p ，。g “竺! ( 4 - 1 2 ) 棼州卜籼q i ( 4 _ 1 3 ) 1 j 口fr 4 一冀、 l 警吐最一磁 i 婴：。( q 一 jd r “7 1堡：。(一q2)dr 。 圪孕：f 1 ( q 。一q m ) 4 3 5 状态空问表示方法 令q j = x7 q f x 。? p ? - - x 。p i ：x 。p i x 。 ( 4 一1 4 ) ( 4 一1 5 ) ( 4 一1 6 ) 尘翼三些奎兰堡圭兰篁篁耋 r ， 忑_ 8 2 屯2 0 4 烈， 丢氇函曲3 u i 矗x 云。4 2 x 2 + d 4 u g 车= b s ( u i + u d f a = 口f 5 00 0 d n 0 000 000 000 c = f o 0 00 l 】 = 嘲 ( 4 - 1 7 ) ( 4 一1 8 ) ( 4 一1 9 ) ( 1 2 0 ) ( 4 2 1 ) ( 4 2 2 ) ( 4 - 2 3 ) ( 4 2 4 ) 瓦2 出+ b u ( 4 2 5 ) 【，= c x 4 4 离散系统的稳态二次型最优控制 4 4 1 离散系统的稳态二次型最优控制问题的求解m 蝴“- 考虑由下式定义的离散系统： x ( + 1 ) = a x ( k ) + b ”( ) ( 4 2 6 ) 3 】 。oo们叫l叫1纠 o 呜o o o o 以o 以 中