飞机液压助力器动态性能仿真分析.pdf

2 0 1 2年 6月 第4 0卷 第 l 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUUCS J u n ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 1 ． 0 3 4 飞机液压助力器动态性能仿真分析 杨家军，余震 华中科技大学机械 学院，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 摘要分析液压助力器的工作原理 ，建立其数学模型 ，在 S i m u l i n k环境下进行仿真，利用 M a t l a b绘出仿真结果图形， 研究结构参数及油压的变化对液压助力器动态性能的影响，为液压助力器的设计提供参考。 关键词液压助力器；数学模型；动态性能；稳态误差 中图分类号T H1 3 8 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 11 1 3 3 S i mu l a t i o n An a l y s i s o n Dy n a mi c P e r f o r m a n c e o f Hy d r a u l i c P CU f o r P l a n e Y A N G J i a j u n ．Y U Z h e n S c h o o l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，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 h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c P C U wa s i n t r o d u c e d ， a n d i t s ma t h e ma t i c a l mo d e l w a s b u i l t ． S i mu l a t i o n wa s ma d e i n S i mu l n i k a n d t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s w e r e d r a w n b y Ma t l a b ． T h e i n fl u e n c e s o f s t r u c t u r al p ara me t e m an d o i l p r e s s o n d y n a mi c p e r - f o r ma n c e o f h y d r a u l i c P C U we r e r e s e a r c h e d t o p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f h y dr a u l i c P C U for p l a n e ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c P C U； Ma e ma t i c al mo d e l ； Dy n a mi c p e r f o r man c e；S t e a d y s t a t e e r r o r 飞机员通过液压助力器操纵平尾 ，因此液压助力 器的性能对飞机纵 向稳定性有较 大影 响。严 重的助力 器抖动将引起飞机的纵向飘摆 ，给飞机的操纵带来严 重 问题 ，甚至酿成事故 ；而轻 微的助力器抖动虽然不 易发现 ，但对高速飞机的稳定性及军用飞机操纵的准 确性造成影响，如在空战中使飞机员不易瞄准敌机 ， 直接妨碍了空战的胜利 J 。因此液压助力器性能的 研究对 飞机的设计十分重要 。 作者利用 M a t l a b ／ S i m u l i n k对 液 压 助 力 器输 出位 移进行仿真，分析助力比、阀口重叠形式、阀口形状 等结构参数及油压 的变 化对 液压助 力器 性能 的影 响 ， 结合飞机要求尺寸质量小等特点 ，为飞机液压助力器 相关参数的设计提供依据。 1 原理 分析 图 1 所示 为一种 典 型的飞 机液压 助力 器原 理 图 ， 它包含分配机构 滑阀 3 、执行机构 活塞 8及活 塞杆头部5 和反馈机构 杆 A O B3个基本部分。 助力器 的输入 量 为 ； ，输 出量 为 ， 带 动平 尾 偏 转 。 当驾驶杆有位移输入 时，由于支点 0的作用 ， 滑 阀 3向左移动 ，从而节流 窗 口打开 ，进 油路通过 阀 口与作动筒的内腔2相通 ，而回油路则与作动筒的内 腔 1 相通 ，两腔 的压力差使 活塞 向右运动 ，进而使 已 倾斜的杆 A O B顺时针旋转。经过一段时间后 ，A O B 回到垂直 状 态 ，此 时节 流 窗 口关 闭 ，助 力器 工作 结 束。在操纵过程中，舵面的作用力并不传到操纵系统 前端 ，飞机员只需克服助力器的滑阀摩擦力 。 1 、2 -- 内腔 卜 滑 阀 4 一 拉杆 5 一活 塞 杆头 部 6 一支 座 7 一作 动 筒 8 --活 塞 图 1助力 器 原 理 图 2数学模型 为分析主要参数的影响，假设供油压力P 。 稳定 ， 不计管道中压力损失 ，回油路压力为零。根据液压助 力器的结构及工作原理 ，建立滑阀开口面积方程、流 量方程 、连续性 方程及 负载力平衡方程 。 2 ． 1 滑阀开口面积方程的建立 假定阀口为矩形 ，考虑死区存在因素，有以下方 程 e 1 2 收稿 日期 2 0 1 1 0 51 1 作者简介杨家军 1 9 5 3 一 ，男 ，教授，博士生导师，研究方向为智能机械计算机仿真与机械振动。Em a i l 6 8 1 3 6 7 2 q q C O m o 1 1 4 机床与液压 第 4 0卷 A e b 3 式 中， 为阀芯相对位移 ，n i 为助力比， i 为输入位 移，n ． 为反馈 比， ； 为输出位 移，e为阀 口实 际开 度 ，e 为 阀 口最大 开度 ，e 。为死 区大小 ， A 为 滑 阀 开 口面积 ，b 为滑阀 I7 1 宽度 。 2 ． 2流量方程的建立 不计管道中压力损失，油液流经滑阀节流窗13的 流量 Q为 Q c aA e √ 吾 △ p s ig n 4 △ p 0取 一， h 、零开 口 即 零重叠 ，h h 、正开 口 即负重叠 ，h ， h 。 负开口滑阀由于其流量增益特性，存在死区，将 导致稳态误差 ，同时可能会 形成 游 隙 ，影 响稳 定性 ， 所 以很少采用 ，而它的刚度大 ，流量稳定 。零开 口滑阀具有线性的流量增益，速率较稳定 ，便于分析 6 5 4 3 2 l O 第 1 1 期 杨家军 等飞机液压助力器动态性能仿真分析 1 1 5 计算 ，因此应 用 广泛 。正 开 口滑 阀流 量 一压力 曲线 斜率变大，反应灵敏 ，在零位位置处 ，较小的位移能 引起较大的流量 ，从而提高了系统的抗干扰能力 ；但 正开 口在零位时仍有流量 ，因此较其他两种开 口，功 率损耗大；同时随着输入位移的增加，压力灵敏度随 之降低 ；正开口刚度较小 ，流量不稳定。正开口与 零开 口的稳态误差均较小 。阀 口重叠形 式对助力器动 态性能 的影 响见 图 4 。 图4 阀口重叠形式对助力器动态性能的影响 3 ． 3 阀 口形 状 阀口形状不同，使助力器滑阀具有不同的性能， 特别对滑阀零位的性能有较大的影响。 菱形开口A 与圆形 A 开口过流面积分别为 ， 。 t a n 0 1 。 I ≤0 ． 5 e A { 【 e 2 一 e 一 】 t a n 0 0 ． 5 e ≤I 。 l ≤ e 【 e Z mta n 0 I I ≥e 1 0 式中 为菱形张角的一半。 A 3 手 s 一 等 H 一 等 翮I Xo } e ≥ e ‘ m I e l ≥ m 如图 5 、6示，矩形阀 口具有线性 的流量特性 ， 在零位时仍有一定的面积梯度 ，因此助力器的抗干扰 能力较好，提高了飞机的稳定性。菱形阀口在零位及 附近面积梯度很小 ，因此容易形成稳态误差，而随着 开口的增大 ，面积梯度增加较为 明显，响应较为灵 敏。圆形阀口的动态特性介于两者之间。其他类型阀 口，可参考文献[ 6 ]对阀 口面积的分析，沿用上述 分 析过程 。 图6 阀口形状对助力器零位性能的影响 3 ． 4液 压 系统 油压 来油压力 P 是液压系统的一个重要参数 ，其大 小影响液压助力器阀口的流量 ，从而影响其性能。分 别取P 。 1 5 ，1 0 ，6 M P a ，仿真图形如图7示。可知 油压越大，系统的响应越快 ，而对稳态误差的影响不 大；但油压较高时，液压系统的泄漏将增大，同时对 液压助力器的材料要求更高，设计时应综合考虑。 图 7 油压对助力器动态性能的影响 下转第 l 1 9页 6 5 4 3 2 l 基 昌 4 3 2 l O 茸 目 第 1 1 期 赵喜锋 等 基于动态目标的机器人无标定视觉伺服系统仿真 1 1 9 r Y Ub s i n c o t ㈣ 运行仿真，得到图像特征在图像空间的坐标变化 图像 ，如图7所示，该图表明机械臂末端跟随目标物 做了一个周期 的波动后 ，逐渐 逼近 目标 物。图 中 “ ，，A， ，． ”分别代表 4个不同的特征点，这 4个图像特征点分别对应图7中的4个点。 图6 图像特征点 图7 图像特征在图像 空间的位置变换 图8表示图像特征点误差变化 ，可看出系统在 6 0个采样周期内，实际图像特征与预期图像特征的 误差趋近到理想 的误差 限范围内。 9 O 80 70 { 幡 5 6 O 毯 5 0 40 30 2O lO 图8 图像特征误差变化 4结 论 阐述了基于图像的视觉伺服原理 ，在此基础上 ， 采用无标定视觉伺服方法 ，结合机器人仿真工具箱 ， 在 M a t l a b ／ S i m u l i n k环 境 下 ，建 立 了 P u m a 5 6 0机器 人 的视觉伺服仿真模型。通过机械手对空间物体的跟踪 仿真试验 ，验证了该模型的有效性。仿真结果表明 该控制系统可用于动态波动目标的跟踪，反应较为迅 速 、控制精度较高，较好地满足工程实际需求。 参考文献 【 1 】苏剑波． 机器人无标定手眼协调[ M] ． 北京 电子工业出 版社 ， 2 0 1 0 ． 【 2 】徐德， 谭民， 李原． 机器人视觉测量与控制[ M] ． 北京 国 防工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 3 】宗晓萍， 淮小利， 王培光． 基于图像的 P U M A 5 6 0 机器人视 觉伺服系统仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 1 0 1 6 1 1 6 4． 【 4 】薛艳敏， 刘宏昭． 基于无标定的机器人平面运动物体跟踪 伺服系统研究[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 1 0 ， 2 9 1 8 1 8 4． 【 5 】钟金明， 徐刚， 张海波． 基于图像的机器人视觉伺服系统 仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 6 4 6 ． 【 6 】We i s s L E， S a n d e r s e n A C ， N e u m a n C P ． D y n a mi c S e n s o r b a s e d C o n t r o l o f R o b o t s w i t I l V i s u a l F e e d b a c k [ J ] ． I E E E J R o b o t A u t o m a t i o n ， 1 9 8 7 ， R A一 3 5 4 o 4 4 1 7 ． 【 7 】P i e p m e i e r J A， Mc Mu r r a y G V， L i p k i n H． A D y n a m i c Q u a s i N e w t o n M e t h o d f o r U n c al i b r a t e d V i s u a l S e r v o i n g [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f I E EE I n t e rna t i o n al C o n f e r e n c e o n Ro b o t s a n d Au t o ma t i o n， 1 9 9 9 1 5 9 51 6 0 0 ． 【 8 】 C r a i g J o h n J ． 机器人学导论[ M] ． 负超 ， 等 ， 译． 北京 机 械工业出版社， 2 0 0 6 ． 【 9 】 刘洋 ， 倪受东， 袁祖强． 机器人视觉伺服仿真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 4 1 4 31 4 5 ． 【 l 0 】贾云得． 机器视觉[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 0 ． 上接 第 1 1 5页 4 总 结 分析了液压助力器几种结构参数的差异对动态性 能的影响，为飞机液压助力器的设计 和分析提供参 考。结论如下 1 助力 比对液 压 助力器 动 态性 能 ，特别 是零 位的动态性能有较大影响，较大的助力比能使系统响 应更快，但将增大稳态误差。助力 比较大或较小时， 将增 大助力器 的尺寸 ，影 响飞机性 能。 2 滑阀正开口提高系统的抗干扰能力 ，但带 来功率损耗等 问题 ；负开 口稳态误差较大 ，很少采 用 。 3 矩形 阀口较菱形阀 口与圆形阀 口来说，综 合性能较好 。 4 较大油压可以提高助力器的灵敏性 ，取较 大油压 时应注意材料 的强度及质量 。 参考文献 【 1 】 王占勇， 祝华远 ， 唐有才． 飞机液压助力器的稳定性分析 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 1 8 4 8 5 ． 【 2 】 文韬． 某型飞机空中飘摆故障分析及防护措施 [ J ] ． 长 沙航空职业技术学院学报， 2 0 0 7 6 3 3 3 5 ． 【 3 】陶梅贞． 现代飞机结构综合设计[ M] ． 西安 西北工业大 学出版社 ， 2 0 0 1 4 0 4 4 0 6 ． 【 4 】 李艳军． 飞机液压传动与控制 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 09 9 81 0 0． 【 5 】 宋鸿尧 ， 丁忠尧． 液压阀设计与计算 [ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 7 9 1 5 91 6 3 ． 【 6 】 冀宏 ， 王东升， 丁大力， 等． 非全周开 口滑阀阀口面积的 计算方法[ J ] ． 兰州理工大学学报， 2 0 0 8 6 4 85 1 ．