某水下航行器舵机液压伺服系统建模仿真.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 4 5 某水下航行器舵机液压伺服 系统建模仿真 傅晓云，黎飞，李宝仁 华中科技大学 F E S T O气动技术 中心，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 摘要以某水下航行器舵机液压伺服系统为研究对象 ，建立舵机液压系统的数学模型。针对实际工况，基于 A ME S i m 仿真软件 ，对该液压伺服系统的动态响应特性、抗干扰能力进行仿真分析。仿真结果表明该系统具有良好的动态响应特性 和较好的抗干扰能力 ，对实际工程应用具有一定的指导意义。 关键词水下航行器 ；液压舵机；建模；仿真 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 f 2 0 1 0 1 31 5 1 3 M a t h e ma t i c a l M o de l i n g a nd S i mul a t i o n o f a UV Hyd r a ul i c S t e e r i ng Ge a r Se r v o Sy s t e m FU Xi a o y u n． L I F e i ． LI Ba o r e n F E S T O P n e u ma t i c C e n t e r ，H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g h e h y d r a u l i c s t e e ri n g g e a r s e n r o s y s t e m o f a u n d e r w a t e r v e h i c l e U Vasa r e s e a r c h o b j e c t ，t h e m a t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e s e r v o s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d ． AMES i m s i mu l a t i o n s o f t w a r e w a s a p p l i e d t o a n a l y z e t h e d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s a n d t h e c a p a c i t y o f r e s i s t i n g d i s t u r b a n c e ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m h a s g o o d d y n a m i c r e s p o n s e a n d g o o d a n t i - j a m mi n g abi l i t y ，w h i c h c a n b e p l a y a c e r t a i n s i g n i fi c an t me a n i n g f o r t h e a c t u a l e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n ． Ke y wo r d s Un d e r w a t e r v e h i c l e ； Hy d r a u l i c s t e e ri n g g e ar s e r v o s y s t e m ；Mo d e l i n g ； S i mu l a t i o n 海洋作 为人类 生存 的第 二空间 ，无论在军事上还 是经济上 ，都有着举足轻重的地位。水下航行器作为 对海洋环境监测及资源勘探的一个重要工具 ，得到了 海洋界研究者的高度重视。舵机控制系统是水下航行 器中的重要执行机构 ，它的动态响应特性、抗干扰能 力对舵机工作的稳定性 、可靠性有着很大的影响，也 直接决定着航行器的整体性能。因此分析舵机控制系 统的动态响应特 性 、抗 干扰能力 ，对 控制系统的合理 设计 、优 化 以及保 证 系统 稳定 、可靠 工 作 有重 要 意 义。 某水下航行器舵机由4组舵控系统组成，综合考 虑能源、体积和负载要求，采用液压伺服系统进行设 计，由4套完全相同且相对独立的伺服阀控液压缸系 统作为舵机驱动装置 。 作者以该舵机液压伺服系统为研究对象，建立了 舵机液压系统模 型 ，并利用 A M E S i m软件对 系统响应 特性和外负载的抗干扰能力进行 了动态仿真分析 。 1 数学模型 图 1 是设计的某水下航行器舵机液压伺服系统原 理图，系统为拨叉式转舵机构 ，主要由液压泵站 、伺 服 阀 、液压 缸 、连 接 机构 有 4套 完全 相 同且 相对 独立 的舵机 系统 ，图 1中只给 出了一 套 系统 和 电 控单元等组成。液压泵站提供动力源 ，通过电控单元 控制伺服 阀的开启方 向 、大小 ，驱 动液压缸运动 ，从 而控制舵 的转 动角度 。蓄能器的接入是 为了满 足瞬时 液压缸流量的需求 ，吸收系统压力脉动 ，补偿系统泄 漏 ，以稳定 系统 的工作压 力。 广 泵 站 电液伺 服 阀 平衡 阀 液 压 缸 拨 叉 舵柄 图 1 液压伺服系统原理图 为了方便分析，简化流体动力学方程 ，可作如下 假设 1 温度和液压油的体积模量是常数； 2 动力活塞质量包含在负载质量 m中； 3 泵和 液压缸 之 间管路 与 各个 阀 的压力 损失 忽略不计 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 作者简介傅晓云 1 9 7 0 一 ，男 ，博士研究生，副教授，主要研究方向为流体传动与控制。通信作者黎飞，电话 1 5 0 71 41 7 76 9． E ma i l a f e i _781 2 1 26 ．e o m。 1 5 2 机 床与液压 第 3 8卷 拨又式转舵机构原理示意 图如 图 2 所示 。 图2 拨叉式转舵机构示意图 图中，Q为伺服阀流量，0为舵的转角， 为舵 转过 0 角活塞 杆的位移 ， 为舵 柄距滑 块的距 离 ， 为舵柄到液压 缸活塞杆 的 中心距 ，D为活 塞杆直 径 ， P 、 P 为液压缸活塞杆两端受到的推舵压力 。 液压系统流量平衡方程 Q A 誓 p l l V t 式 中A为泄漏 系数 ； 为油 缸容 积 ； 为液 压 油 体积弹性模 量。 液压缸活塞杆运动平衡方程 d d A I pzP I 邶e 式 中 为动力 缸活塞杆面积 ；m为 负载质量 ； B 为 黏性阻尼系数；F 外负载作用于活塞杆的轴向力。 由动量矩定理建立平衡方程 F H ￡ ME 十 ￡ ME 式 中I， 为运动部件 的转动贯量 ；M 为外 负载力矩 ； ．为滑块对舵的作用力。 液压缸位移与舵角关系方程 。 H t a n 0 t 2 仿 真 实验 2 ． 1 仿真平台的搭建 A M E S i m是当今 比较 领先 的流 体 传 动 系统 和 液 压／ 机械系统建模 、仿真及动力学分析软件 ，可以采 用基本元素法按照实际物理系统来构建仿真模型，比 较直观。故采用 A ME S i m软件搭建上述系统的仿真模 型。 1 在 A ME S i m ／ S c k e t e h模式 下 ，按 照系统 的物 理构成搭建如图3所示的系统仿真模型，为了简化分 析，伺服控制部分控制器的仿真建模采用了简单 的 P I D处理 。 2 在给元件分配子模型时，为了便于初步分 析，使用首选子模型功能 ，即选择 P r e m i e r s u b m o d e l 为每个元件分配最简单的子模型。 3 在 A ME S i m ／ P a r a m e t e r 模式下为各元件设定 具体参数。主要参数设置液压泵排量 3 ． 5 m L ／ r ， 图3 液压伺服系统仿真模型 转速 1 5 0 0 r ／ m i n ；电液伺服阀阀 口流量 5 L ／ m i n ，单 边阀压 降 3 ． 5 M P a ，驱 动 电流 1 6 m A，响 应频 率 9 0 H z ；双作用液压缸初始位移 0 ． 1 0 5 m，活塞直径 3 S ． 3 6 m m，活塞杆直径 2 5 m m，冲程 0 ． 2 1 m；质量 块 9 0 k g ，泄荷溢流 阀调定压力 2 1 M P a ；平衡 阀设定 压力 2 6 MP a 。其他为系统默认值 。 2 ． 2 仿真 输 出 为便于分析 ，同时考虑到舵机最复杂的工作状 态，仿真按以下设定的两个工况进行。 工况一 4个 舵同时工 作，其角度 的输入指令信 ￡ 号相 同，为从 0 。 到 - - 2 5 。 周 - 期性变化斜坡信号 如图4 。 时 间， 0 4 ．0 5 ． 0 6 ． 0 7 ． 0 8 ． 0 9 ． 0 时间， s 图 5 液压缸位移 图 6 液压缸 响应 曲 响应曲线 线局部放大图 图5为 P I D控制参数 K r 1 0 0 0 、K 1 0 、K D 0 时液压缸的响应 曲线，从 局部放大的 图 6可 以看 出，响应曲线跟踪指令信号有滞后 ，幅值上也有衰 减。通过仿真实验可以看 出增 大 可以提高响 应曲线的幅值 ，但 过大系统易产生超调；增大 K 可以增强系统 响应的灵敏度，但 K 过大系统静 态稳定性差，易产生稳态震荡 ；调节 可以加快 系统的动作速度 ，减少调节时间，但增大 。 也易 第 1 3期 傅晓云 等某水下航行器舵机液压伺服系统建模仿真 1 5 3 造成响应过程的震荡 ，动态稳定性差。图 7为仿真 试 验过程 中一组 K l 5 0 0、K 。 1 0 、K D 0和一 组 K 1 5 0 0、K 5 0、K D1 0时的液压缸 响应 曲线 的局部放 大 图。 骞 昌 漤 ‘1 _1 2 昌 毫 4 6 4 8 5 0 5 2 5 4 5 6 5 8 6 0 时间， s ‘ a Kp l 5 0 0、Kl 5 0 、KD 0 4 ． 0 5 ． 0 6 ． 0 7 ． 0 8 ． 0 9 ．0 时 间， s b l 5 0 0、KI 5 0 、KD 1 0 图 7 液压缸响应曲线局部放大图 经仿 真分 析 ，4个 舵 的工 作状 态一 致 ，在 K 1 0 0 0 、K 1 0 、K 。 0 图 6 时 ，响应 曲线 相对输 入信号滞后0 ． 0 7 s ，极值误差约 1 ． 2 1 m m，即控制角 度精度约为0 ． 2 6 。 ，均能很好地跟踪指令信号，因此 可 以忽略液压泵出 口分流阀块对各个液压缸性能的影 响 。 工况二 在 工况一指令的基础上 ，在某 一液压缸 外负载力矩中加一个大小为 6 0 0 0 N m、持续时间为 0 ． 0 2 s 的干扰力矩 。对应舵液 压缸 的响应 曲线 如 图 8 所示 ，其对应平衡阀流量响应曲线如图 9所示。由图 可知，当存在过载的外干 扰力矩时，液压缸位移会 0 ． t o { 产生波动 ，平衡阀开启从 而避免由于外部负载力产 _ o ．0 { 生过载压力 造成液 压缸 和 ． 0 ． 1 5 i 伺服阀的损坏而导致系统 工作异 常 ，而且其 他未加 干扰力矩 的舵并 不受 影 响，其响应 曲线如 图 1 O 所示 。 l0 0 一目 8 0 昌 6 0 量 4 0 2 0 0 i a 平衡阀1 图 8 l O0 _ 口8 0 昌 6 0 晕 4 0 嫠2 0 0 1 0 2 O 3 O 4 0 5 0 6 0 时 间， | 液压缸在干扰力 矩下的响应曲线 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 时间， s b 平衡 阀2 图9 加干扰舵液压缸平衡阀流量曲线 图 l 0 其他液压缸响应曲线 3结 果分 析 1 在水下航行器舵机 中采用伺服 阀控液压缸系 统，具有响应速度快 、控制精度高、结构简单的优 点 ，可以满足应用要求 。 2 双向平衡阀在外部负载产生过载压力时，迅 速开启，能避免液压缸和伺服阀因过载而损坏。 以上仿真试验结果表 明 ，该航行器舵机液压伺服 系统具有 良好 的动 态响应 特性和较 好 的抗 干扰 能力 ， 对实际工程应用具有一定 的指导意义 。 参考文献 【 1 】赵宁宁． 水下航行器控制系统仿真试验研究与应用 [ D] ． 西安 西北工业大学， 2 0 0 6 ． 【 2 】 刘海丽， 李华聪． 液压机械系统建模仿真软件 A M E S i m 及其应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 6 1 2 41 2 6 ． 【 3 】付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真[ M] ． 北京 北京航 空航 天大 学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】 王春行． 液压伺服控制系统[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 9 ． 【 5 】[ 美 ] K a t s u h i k o O g a t a ． 现代控制工程 [ M] ． 卢伯英 ， 等． 译 ． 3版 ． 北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 上接第 1 7 0页 参考文献 【 1 】 Y a s u d a M， G o t h o K ， C k u b o Y ， e t a 1 ． A m e t h o d o f s u p p r e s - s i o n f o r s t r e a mi n g e l e c t ri fi c a t i o n i n l a r g e p o w e r t r a n s f o r me r [ J ] ． T r a n s a c t i o n o f t h e I n s t i t u t e o f E l e c t ri c a l E n g i n e e r s o f J a p a n ， 1 9 8 5 ， 1 0 5 3 2 6 5 2 7 2 ． 【 2 】 K a t o T ． E l e c t r o s t a t i c s o f f u e l s y s t e m fo r t h e a u t o m o b i l e [ J ] ． J o u r n al o f t h e I n s t i t u t e o f E l e c t r o s t a t i c s J a p a n， 1 9 9 9， 2 3 5 2 0 1 2 1 5 ． 【 3 】 Z h u S ， e t a1 ． E x p e r i m e n t a l s t u d y o n fl o w e l e c t ri f i c a t i o n p h e - n o m e n a i n d i e l e c t ri c o i l fl o w s o v e r fi l t e r 『 C] ／ ／ I C F P 2 0 0 9 。 2 0 0 9 6 7 66 8 0 ． 【 4 】 Wa s h i o S e i i c h i ， C h e n H u i q i n g ， T a k a h a s h i S a t o s h i ， e t a1 ． O n l i n e d e a e r a t i o n o f h y d r a u l i c o i l f o r s u p p r e s s i o n o f c a v i t a t i o n [ C ] ／ ／ 5 t h I n t e r n a t i o n al F l u i d P o w e r C o n f e r e n c e ， 2 0 0 6 3 3 7 3 4 7 ． 【 5 】T a k a h a s h i S ， Z h u S ， Wa s h i o S ． E x p e ri m e n t a l d i s c u s s i o n o n b a s i c c h a r a c t e ri s t i c s o f fl o w e l e c t r i f i c a t i o n b e t we e n d i e l e c - t r i c l i q u i d s a n d me t a l w i r e m e s h e s [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e J a p a n S o c i e t y o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s ， 2 0 0 7 ， 7 3 7 2 7 8 7】一87 8．