起落架气动负载模拟系统力矩控制

1、起落架气动负载模拟系统力矩控制2004 年第 3 期液压与气动 23起落架气动负载模拟系统力矩控制袁朝辉 ,崔海云Force/TorqueControlforAerodynamicLoadSimulatorofanUndercarriageYuanZhao-hui.CuiHai-ytm(西北工业大学自动控制系,陕西西安 710072)摘要 :某型飞机前起落架气动负载模拟采用电液伺服系统 ,针对其本质非线性系统的特点采用反馈线性化将其变为可控的线性系统 .并导出其最优控制律 .文中建立了气动负载模拟系统的数学模型 ,给出了线性化及控制律的求解过程 .仿真和实验结果表明 ,对于该系统采用非线性控制

2、方法 , 系统能保证力矩跟踪性能并有效抑制前起操纵引起的多余力矩.关键词 :液压系统 ;力系统 ;气动负载 ;非线性控制 ;起落架中图分类号 :TH137 文献标识码 :B 文章编号某型飞机液压系统地面试验采用电液伺服系统模拟前起落架所受的空气动力负载 ,气动负载是起落架运动位置的函数 .该系统为被动式加载系统 ,由于起落架运动由收放作动筒驱动 ,在运动过程中速度 ,加速度变化较大 ,起落架运动对加载力的扰动较大 .由于节流方程的非线性 ,电液伺服系统为本质非线性系统 , 在设计系统控制器时 ,一种方法是将系统节流方程在某一平衡点附近加以线性化 ,从而把非线性系统近似转化为工作点附近的增量线性

3、系统 ,再利用线性控制理论对系统进行分析和综合 .而实际上大部分情况滑阀在较大的开口范围运动 ,而非仅仅在某一平衡点附近 ,所以对于这样的系统可以利用非线性控制理论及方法来设计系统的非线性控制器 .文章针对某型飞机前起落架气动负载模拟电液伺服系统进行了建模 ,非线性控制器设计与应用 .1 加载原理加载采用阀控作动器 .运动几何结构图如图 1 所示图 1 前起运动几何结构图前起给定的负载谱数据为力矩 ,所以需要根据运动位置的几何关系进行力与力矩的换算 .图 1 中,B为坐标原点 ,A,D 为活塞杆与摇臂连接点的两个极限运动位置 ,A 位置时摇臂与 l, 轴夹角为 23.,ABD: 94.,摇臂长

4、 r=180lllnl, 设 E 点为连接点当前位置 ,坐标为 (XE,YE), 则E=rsin(ABE 一 23)YE=rcos(ABE 一 23)LCE= (E 一 966)+(YE+307)BcE=arccos(r 一 L)/(2cEcB)设活塞杆的作用力为F,则力矩为 :F?LcssinBCE.液压缸为单出杆 ,有杆腔接液压源 ,无杆腔接伺服阀 .控制过程中 ,计算机采集起落架当前角度ABE,查表得到对应力矩 ,再求出应施加的作用力F,并控制该力 .2 系统数学模型伺服放大器 :j=Jc11,式中 ,j 为输入电流 ,Jc 为放大系数 ,11,为控制电压 .伺服阀 :号=,式中 ,k.

5、为伺服阀的增益 ,为阀芯位移量 ,T 为时间常数 .伺服阀节流方程 :Qf=kf(X0+X)/P. 一 PlSn(X0+X)一kf(Xo+X)/P1Sn(X0 一 X)收稿日期 :2003.09-23作者简介 :袁朝辉 (1963 一 ),男 ,安徽舒城人 ,副教授 ,在职博士生 ,主要从事液压伺服控制方面的教学与研究工作 .24 液压与气动 21304 年第 3 期式中 ,Q 为伺服阀的流量 (也即流向作动简的流量 );kf=CW lip,C 为阀口的流量系数 ;W 为阀口的面积梯度 ;l0 为油液密度 ;0 为阀芯预开口量 ;为阀芯位移 ;p 为油源压力 ;p1 为负载压差 ;Sn()=f

6、"0 【00作动筒流量方程 :?+dpl+CslP1式中 ,A1 为无杆腔活塞作用面积;为作动筒的位移 ;E 为油液弹性模量 ;Vo 为无杆腔及进出口连接管路的总体积 ;C1 为泄漏系数 . 作动筒力矩平衡方程 :AlPl Asp=Mt+ 曰警 +式中 ,为运动部分质量 ;B 为黏性阻尼系数 ;为总连接刚度 ;R 为与起落架运动角度有关的位置扰动 .令 1=,2:P1,3=t,4=.t,得系统状态方程 X=f(X)+g(X)", 具体表达式为 :1 1.+.)fPs-x2S.+一 .一.)-2s.一一一 Glx2X4112p 一曰 4 一 3+KsXR可以看出 ,系统为具有

7、不确定参数R 的仿射非线性系统 .对于前起落架负载模拟系统 ,在起落架收放过程中希望系统与起落架之间的作用力 F(t)跟踪已知的空气动力负载谱 ,(t). 为便于设计非线性控制器 ,令输出方程 Y(t) 为 :Y(t)=h()=K系统施加在起落架上的力为:F(t)=K(t R)=K(3 一 R)=Y(t) 一 KR可得 :Y(t)=F(t)+KR(t)令 :Yd(t)=F*R(t)+KR(t)因此 ,只要控制 Y(t) 保持跟踪输入信号Yd(t),则即保证了 F(t)跟踪 ,(R(t),即实现了负载模拟系统按预定负载谱对起落架的加载作用.3 系统的非线性控制通过计算得 :LgLh(x)=0;L

8、fh(x)=K4,LgLfh(x)=0;Lh(x)= ,Lg()=0;Lh(x)=警一篙警 ,Lg 啪 :L. Oo 因,2 一瓦 4 一4LfL) 1因此 ,r 一 1=3,r=4=n,即相对阶等于系统的阶次 n. 另外可计算出 ,()=一专 .+,+f4L4.+kak000以上各式中 :f2=Iif(.+?).sn(.+?)一kf(x0 一 1).sn(0 一 1)一 A14 一 cl2=12 一 Asp 一 Btx4 一 Kex3+KsXR.s.)+kf.sn(0 一 1)2=KAl/01EyL 一 1Iif(XO+X1)(Ps-x2) 一.sn(XO+X1)一1Iif(.一.)()一.

9、sn(.一.)一 c1皇 !一M,4EYGDGGB一一 +作如下坐标变换 ,即:1=h()=K32=Lfh()=K43=()=m =等一等等 .川 .舢2004 年第 3 期液压与气动 25以及状态反馈一L4h()+一得到以新坐标系z 表述的系统 ,为式中 :=己 ()+LgL3h()Ml: 一 ()至此 ,已将原非线性系统精确线性化为完全可控的线性系统 .对于线性化后的系统 ,其输出为 ',(t)=h():K3=1,系统输出需要跟踪的信号为yd:F(R)+XR,令e2ydZ2e4:,)一 4e1e2:e2e3e3e4:e4w式中w=y54 一应用二次型性能指标最优控制方法设计控制规律

10、 ,取性能指标J=(e+rRw)d式中 R,p 分别为一维权系数及四维权矩阵.取一维权系数 R=1,四维权矩阵Q=ql00q200000000q300q4(q>0,i=1,2,3,4)则可求得控制 W 为W=一 kie 一缸 (y 一 )式中的 l,2,3,4 通过给定 qi 而后解黎卡梯方程求得 .最后可得原非线性系统的控制规律为专 XI 工一工 2 一 L3 一 f4L+ .(,)+,一1 Im 一4 仿真与试验系统参数为 :.=0.0O4AZV,=0.043m/A,T=1/314,E=7×lO8N/m2,Vo=7×10 一 m3,f:0.00042,P=

11、21MPa,X0:6×10 一 m,Mt=500kg,Al=50.24×10m2,A=28.8× 10 一 m2,BI=2500N/(m/s),K=107N/m,Cl=10m5N/s.误差权重矩阵根据系统控制要求来确定,不同的误差权重其控制效果不同.图 2a,b,e分别为 3 组不同的误差权重下系统输出力矩的跟踪特性曲线.(a)ql=10 培,q2=10H,q3=104,q4=1,l=lO9,2=1.9186×107,3=1.3405× 105,4=517.8.(b)q1=102o,q2=10,q3=105,q4:10,l=10m,2=1.43

12、×10,3=5.23×lO5,缸 =1.02×lO3.(c)ql=1,q2=10,q3=105,q4=10,l=10,2=2.64× lO9,3=3.48X106,4=2.64×lO3.可以看出 ,误差权重过小 ,系统的跟踪误差较大 ;误差权重过大 ,系统的控制作用加大 ,易引起系统振荡 .某型飞机前起气动负载模拟的试验结果如图2d所示a)数据 (a)仿真 b)数据 (b)仿真c)数据 (c)仿真 d)数据 (d)仿真图 2 仿真和试验结果5 结论起落架气动负载模拟电液伺服系统为本质非线性系统 ,对其可以直接采用非线性控制方法 .采用反馈线性化

13、方法以及由此得到的非线性控制律 ,保证了输出力矩 M(t) 对输入负载谱 (R(t) 的动态跟踪特性 .同时对于起落架收放对负载模拟系统的扰动R(t),系统有很强的抑制能力 ,能有效减小收放系统l1一一d)yd=.y=e3eU贝26 液压与气动 2004 年第 3 期基于 VB 的液压系统检测虚拟仪器控制面板设计关浩 ,于靖华TheDesignofVirtualInstrumentsControlPlateforHydraulicTestingSystemBasedonVBGuanHao,YuJing-hua(大连大学机械工程系 ,辽宁大连 116622)摘要 :介绍了虚拟仪器的概念及在工业检

14、测"-3 中的应用 ,结合基于虚拟仪器技术的液压传动计算机辅助测试系统 .重点讨论了基于VB 来设计虚拟仪器控制面板问题.关键词 :VB; 虚拟仪器 ;控制面板中图分类号 :TP273.5 文献标识码 :B 文章编号1 虚拟仪器技术及其应用虚拟仪器技术是随着计算机辅助检测技术而发展起来的应用于工业检测的一种新技术 .计算机辅助检测系统是以传感器为数据采集元件 ,通过 A/D 转换卡将模拟信号转为数字信号送人计算机 ,再由计算机软件实现数据分析与处理 .整个检测过程全部自动进行 ,具有速度快 ,准确 ,效率高等特点 .计算机辅助测试系统原理如图1 所示.图 1 计算机辅助测试系统原理图

15、计算机辅助检测系统充分利用了目前的计算机速度越来越快 ,功能越来越强 ,价格越来越低的优势 ,将过去检测中在传统仪器上大量采用的硬件实现的操作和功能通过计算机软件来实现 ,就形成了虚拟仪器技术 .所谓虚拟仪器 ,就是在现有的计算机的基础上,配以专门设计的硬件 (如数据采集卡 ,输入 /输出卡等 )和建耋蛙一叠世兰耋釜监童耋堂妻堂妾堂童耋螳塞瞳童塞耋蜡薹萎 !暗塞畦 _专用软件 ,形成既有普通仪器的基本功能 ,又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器 .操作人员通过友好的图形用户界面以及图形化编程语言来控制仪器的运行 ,以完成对测试数据的采集 ,分析 ,判断 , 显示和数据处理等功能 .

16、虚拟仪器系统是对传统仪器的重大突破.是测控技术与计算机技术结合的产物 .它从根本上更新了仪器的概念 ,具有传统仪器无法比拟的优势 .虚拟仪器不仅推进了以仪器为基础的测试系统的改进 .同时也影响了以数据采集为主的测试系统的传统结构方法的发展 ,过去独立分散 ,互不相干的许多领域 ,在虚拟仪器系统的概念下 ,正在逐渐靠拢 ,相互影响 ,并形成新的技术方法和技术规范 .在工业检测方面 ,虚拟仪器正在越来越多地引起人们的注意 ,并得到了广泛的应用 ,本文主要结合基于虚拟仪器技术的液压传动计算机辅助测试系统 ,讨论了基于 VB 来设计虚拟仪器控制面板问题 .收稿日期 :200309.12作者简介 :关浩 (1955 一),男,辽宁海城人 ,教授 ,主要从事液压传动设计及计算机应用工作 . 位置扰动引起的多余力矩 .-,4 塞嗤塞耋睛童畦参考文献 :1YonsuNam,KyungHung.Forcecontrolsystemdesignforaer0d),TlarrIicloadsimulat