向飞控-液压系统协同仿真技术研究[1].pdf

第五届全国流体传动与控制学术会议暨年中国航空学会液压与气动学术会议2008 某型飞机纵向飞控 液压系统协同仿真技术研究 李 昆 秦 成 中航第一飞机设计研究院 西安 710089 摘 要 通过微分方程分析得到助力器的状态空间表达式 并对助力器的动态特性进行分析 利用试验数据建立泵源动态 特性数学模型 在仿真软件 HyPneu 中建立完整的液压助力系统模型 将纵向飞控系统模型与液压助力系统模型通过接口进 行无缝连接 开展两系统之间的协同仿真研究 仿真结果与试验结果对比可知 仿真模型与实际系统符合程度较高 研究取 得良好效果 关 键 字 助力器状态空间分析 协同仿真 液压泵建模 HyPneu Virtual Lab 中图分类号 0 前言 现代飞机的飞控 液压两系统交联关系日益密 切 且对飞机的飞行品质 操纵特性等均产生十分重 大的影响 因此在整个设计过程中要对两类系统之间 的作用关系和相互影响进行动态 定量分析 才能确 保所有设计要求的顺利实现 但是 由于在以往飞机 机载系统设计阶段两类系统均是各自独立设计 因此 对于两系统在互连之后 是否会出现诸如动态特性差 能源 负载匹配不佳等问题缺乏足够的了解 在本次 研究中 将分别针对某型飞机飞控 液压系统各自的 特点 在原有飞控仿真模型的基础上 通过助力器状 态方程分析和协同仿真技术建立某型飞机纵向飞控 液压系统的协同仿真模型 最终开展两系统之间的协 同仿真计算 飞机纵向飞控 液压系统协同仿真模型 不仅能够使设计人员了解整个系统中各部分之间的动 态特性和能量传递关系 便于在设计之初就对系统性 能进行优化匹配 避免了重大设计缺陷的出现 而且 还可以用于系统故障的定位和排除 缩短了外场飞机 停飞检修的时间 1 平尾液压系统建模 平尾液压系统由平尾助力器 液压泵 蓄压器等 液压元件组成 在以往的纵向飞控模型中 一般是将 这部分用一阶惯性环节简化表示 这种方法虽然可以 对助力器的动态特性进行一定的描述 但模型本身被 局限为单输入 单输出模型 一些实际上对助力器性 能影响重大的因素不能在模型中得到体现 也无法衡 量液压系统的供压能力 以及液压系统的动态响应能 力 因此 采用状态空间分析方法 重新对平尾液压 系统进行建模研究 1 1 平尾助力器建模 助力器从功能 结构分析 可以认为是一个带有 外部位移负反馈的阀控作动筒 如图 1 所示 其控制 部分可分为两部分 外部的位移控制和内部的流量控 制 其数学表达式分别为 图 1 助力器结构示意图 外部位移控制 tfrisrV xkxkx 1 内部流量控制 2 11 PPWxCQ sVV 2 22 2 PWxCQ VV 3 对式 2 3 进行线性化处理 得到 211 PPKxKQ CVQ 4 22 PKxKQ CVQ 5 式中 1 fsVQ PPWCK 为流量放大系数 2 1 fs fsVV C PP PPWxC K 为流量 压力放大 第五届全国流体传动与控制学术会议暨 2008 年中国航空学会液压与气动学术会议 系数 通过滑阀进油口的高压油液 除了要推动作动 筒进行运动外 还要补偿作动筒高压腔由于压力升高 所产生的机械膨胀量 高低压腔之间的内部串油 以 及系统的外泄漏 由此 得到描述作动筒高压腔流量 的动态方程 1 Q 121 11 1 PCPPC dt dP E V dt dx AQ epip y t 6 经过滑阀回油口的低压油液连续方程为 221 22 2 PCPPC dt dP E V dt dx AQ epip y t 7 作动筒的液压输出力与外部负载力相平衡 外部 负载力包括 作动筒活塞的惯性力 阻尼力 弹性负 载力以及其他的外部负载力 根据牛顿力平衡原理 列写出作动筒活塞上的力平衡方程式 Lt tt FKx dt dx B dt xd mPPA 2 2 21 8 为简化处理 忽略系统中出现的内 外泄漏量 根据式4和式6 可以得到高压腔中的流量平衡方程 dt dP E V dt dx APPKxK y t CVQ 11 21 9 根据式5和式7 可以得到低压腔中的流量平衡 方程 dt dP E V dt dx APKxK y t CVQ 22 2 10 将式1分别带入到式9和式10中 dt dP E V dt dx APPKxkxkK y t CtfrisrQ 11 21 11 dt dP E V dt dx APKxkxkK y t CtfrisrQ 22 2 12 由式11 12 得到关于 dt dP 1 和 dt dP2 的表达式 dt dx APPKxkKxkK V E dt dP t CtfrQisrQ y 21 1 1 13 dt dx APKxkKxkK V E dt dP t CtfrQisrQ y 2 2 2 14 在此设 11 xP 22 xP 3 xxt 4 xvt 根据式8 13 14 得到用于描述液压助力器的状态 空间表达式 L i srQy srQy yfrQyCy yfrQyCycy F x m V kKE V kKE x x x x m K m K m A m A V AE V kKE V KE V AE V kKE V KE V KE x 1 0 00 0 0 1000 0 2 1 4 3 2 1 222 1111 15 由式15可知 助力器的动态性能不仅与位移输入 控制信号有关 还与作用在助力器活塞杆上的外部负 载有关 另外 高 低压腔中的压力变化量也会对助 力器的动态性能产生影响 助力器本身的一些物理参数构成了助力器动态模 型中的各种系数 由式15可知 影响助力器性能的 物理参数有 助力器内部控制阀的形式 结构系数 作动筒的形式 结构 重量 助力器的输入比 反馈 比等 1 2 液压泵建模 液压泵作为液压能源部件 用于将机械能转化为 液压能 并向液压系统提供高压油液 用以驱动系统 内的各种负载 在机载液压系统中 多采用恒压变量 泵作为能源发生装置 在描述恒压变量泵动态特性时 常用P Q动态曲线来进行描述 利用某型变量泵源鉴 定试验报告中提供的试验数据 通过数值分析方法 建立描述泵源动态特性的P Q曲线方程 试验数据如 表1所示 表 1 泵源试验数据 压力P 2 cmkg 流量Q min L 压力P 2 cmkg 流量Q min L 50 65 8 205 62 35 100 65 16 206 61 74 150 63 47 209 61 5 200 62 23 212 61 03 202 62 35 215 0 采用线性方程来对P Q曲线进行描述 根据试 验 数 据 选 择 最大流 量 压力 点 为 212kgf 61 03L min 以最大流量 压力点作为分界点 对前 后两部分数据分别进行线性差值 拟合计算 得到两 条用于描述P Q曲线的方程 如式16所示 P P Q 029 08218 67 215 343 20 min 16 2 气动负载建模 在进行飞机地面加载试验时 均利用的是由风洞 第五届全国流体传动与控制学术会议暨 2008 年中国航空学会液压与气动学术会议 试验得到的气动负载数据 以助力器三角摇臂转角为 自变量 三角摇臂所受气动力矩为函数值所记录的一 组试验数据 而很可惜的是 这样的试验数据并不能 在平尾液压系统的仿真过程中直接使用 而必须经过 必要的数值转化 将三角摇臂转角值与所受气动力矩 值组成的负载数据形式转化为以助力器运动行程量作 为自变量 助力器所受气动力大小为函数值的这样一 组负载数据形式 由于助力器与平尾之间传动关系复 杂 并涉及三维运动关系 因此通过手工计算转化工 作量大 且易出错 在此 利用多体动力学软件Virtual Lab 通过动力学仿真将负载进行转化 在Virtual Lab仿真环境中建立平尾助力器三维动 力学模型 在平尾三角摇臂上加载平尾助力器所受的 气动力矩并进行动态仿真 可将负载形式进行转化 将转化后的负载数据通过插值 拟合计算 即可得到 仿真时直接使用的平尾助力器负载模型 平尾助力器 在风洞试验时所受气动力矩关于三角摇臂转角曲线如 图2所示 建立的平尾助力器三维加载模型如图3所 示 35 19 13373 M 对三角摇臂转轴力矩 三角摇臂转角 13351 MN m 19 58 图 2 气动力矩 三角摇臂转角曲线图 图 3 平尾助力器加载模型 得到经转化的负载数据值 如表2所示 表 2 平尾助力器行程 气动力数据表 助力器行程 m气动力 N 助力器行程 m 气动力 N 0 0725 136231 9 0 0052 14618 72 0 060194 130316 3 0 0 0 050074 117730 1 0 0163 58506 53 0 03822 94599 47 0 0023 77209 84 0 020052 50777 6 0 0345 98499 7 0 010362 27586 94 0 046 100125 3 利用表2中得到的负载数据进行插值 拟合计算 得到用于描述外部气动负载的数学模型 如式17所示 0046 0 2 1576103961 2108485 5100451 7105859 1 0725 00 2172 26100261 4103123 2103904 1100467 5 6273849 6273849 x xxxx x xxxx xf 17 3 纵向飞控 液压系统协同建模 根据对助力器的状态空间分析结果 利用流体仿 真软件HyPneu 实现对助力器多输入 多输出建模 在建模过程中 需要对前面章节中分析出的对助力器 动态性能产生影响的各种量进行有效的模型说明 其 中包含有 控制阀 作动筒 输入比 反馈比 另外 需在助力器位移输出端口处添加外部气动负载模型 使整个模型与实际工作情况相符 在建立泵源系统模型时 除按照已经得到的泵源P Q曲线方程对泵建模外 还要添加必要的油箱 蓄 压器等元件模型 最后 还要在模型中添加助力器位 移输入接口 助力器位移输出接口 泵源转速输入接 口 泵源压力 流量接口等 以使得液压系统模型能 和纵向飞控系统模型以及发动机转速模拟信号进行互 联 平尾液压系统模型如图4所示 图 4 液压系统模型 第五届全国流体传动与控制学术会议暨 2008 年中国航空学会液压与气动学术会议 在原有纵向飞控系统模型的基础上对模型进行修 改 删减原有的助力器模型 增加必要的信号控制单 元和信号传递单元 将已经建立的HyPneu液压助力系 统模型通过第三方编译器C 编译后 生成的源代 码用S函数的形式与飞控系统模型互联 建立的纵向 飞控 液压系统协同仿真模型如图5所示 图 5 纵向飞控 液压系统仿真模型 4 仿真结果分析 在发动机转速为3720r min条件下 在仿真10s 时对操纵杆施加30N的操纵杆力 得到飞控 液压系 统的动态响应曲线如图6 11所示 图 6 飞机迎角曲线 图 7 飞机俯仰角曲线 图 8 飞机高度变化曲线 图 9 助力器输出位移曲线 图 10 泵出口压力变化曲线 图 11 泵出口流量变化曲线 第五届全国流体传动与控制学术会议暨 2008 年中国航空学会液压与气动学术会议 仿真结果与纵向飞控系统地面试验结果对比可 知 仿真曲线与地面试验结果吻合度较高 由此证明 此次协同仿真研究取得良好效果 通过仿真曲线 不 但可以对飞控系统的性能进行仿真分析 更重要的 是 协同仿真可同时对液压系统的动态特性和供压能 力进行仿真计算 由此得到的仿真结果可直接用来衡 量液压系统的设计正确性 并对液压系统性能的优化 提供分析工具 5 结论 飞机纵向飞控 液压系统协同仿真技术有机地将 飞控 液压两大专业结合在一起 使得设计人员能够 了解到液压 飞控两系统针对飞行员操纵指令所做出 的动态响应情况 并对其进行定量分析 因此非常有 利于系统之间的性能优化与匹配设计 同时 由于将 不同种类的模型都转化到通用建模平台Simulink上 使 得模型具有较好的通用型和可移植性 便于今后开展 大系统之间的协同仿真研究 协同仿真技术的引入 将会使得系统设计朝着数字化 定量化的方向发展 有力的推动液压 飞控两系统数字化设计研究工作的 进步 参 考 文 献 1 Hydraulic system Modeling and Simulation E C Fitch I T Hong BarDyne Inc 2 Computerized Hydraulic Component Analysis for System Design I T Hong BarDyne Inc 3 HyDraulic System Simulator Model for Boeing 777 David S Wang Boeing Company 4 A Concurrent Design Analysis Tool for Aircraft Hydraulic Systems R I Scoville and M J Maxwell General Dynamics Fort Morth Div 5 Hydraulic System Modeling Steady state Analysis Simulation and Control System Analysis using Lumped Mass Approach G S Duleba C W Ginsburg J E Harrison Boeing Company 6 液压伺服控制 王占林 北京航空航天大学出版社 7 现代控制理论 刘豹 机械工业出版社 2002 8 基于MatLab Simulink的系统仿真技术与应用 薛定宇 陈 阳泉 清华大学出版社 Co simulation study of the longitudinal control system and the hydraulic system Li Kun Qin Cheng The First Aircraft Institute of AVIC Xi an 710089 China Abstract Used the system dynamic equations the state space expression