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2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ap r . 2 01 4 V0 1 . 4 2 No . 7 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 4 . 0 7 . 0 3 7 飞机液压助力器模型分析 周华刚,曹春泉,余慧玲 中航通飞研 究院有限公 司系统研究室,广 东珠海 5 1 9 0 4 0 摘要针对国内某型号飞机液压助力器 一操纵面系统的稳定性和跟随性问题 ,借鉴和参考了现有文献中提供的线性化 研究方法,构建了助力器非线性仿真模型 ,并进行仿真。结果表明现有文献中提供的线性化模型不足以用于助力器系统 的设计,非线性模型更能反映系统的真实机构情况 ;在条件许可时应同时建立助力器支撑座及操纵面的弹性模型。研究结 果为助力器及系统的设计提供了参考。 关键词液压助力器;线性模型 ;非线性模型 ;飞机 中图分类号V 2 4 9 . 1 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 71 3 7 4 Ana l y s i s o f Hy d r a ul i c Bo o s t e r M o de l f o r Ai r c r a f t‘ ZHOU Hu a g a n g, CAO Ch un q u a n, YU Hu i l i n g S y s t e m D e p a r t m e n t ,A V I C G e n e r a l A i r c r a f t R e s e a r c h I n s t i t u t e C o . ,L t d . , Z h u h a i G u a n g d o n g 5 1 9 0 4 0 ,C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t h e s t a b i l i t y a n d f o l l o w i n g p r o b l e ms f o r t h e h y d r a u l i c b o o s t e r c o n t r o l s u r f a c e s s y s t e m i n a n a i r c r a f t ,r e f e r r e d a n d c o n s u l t e d t o t h e l i n e a r r e s e a r c h me t h o d p r o v i d e d b y e x i s t e d a u t h o r i z e d d o c u me n t s ,t h e n o n l i n e ar s i mu l a t i o n mo d e l o f b o o s t e r Wa S b u i h a n d s i mu l a t e d . T h e r e s u l t s s h o w tha t t h e e x i s t e d l i n e a r mo d e l i s n o t e n o u g h u s i n g for t h e b o o s t e r s y s t e m d e s i g n, w h i l e t h e n o n l i n e ar mo d e l c o me s mo r e n e ar t o t h e r e a l me c h a n i s m c o n d i t i o n o f s y s t e m. W h e n t h e c o n d i t i o n all o we d , a s u p p o e r for t h e b o o s t e r a n d a n e l a s t i c mo d e l for t h e c o n t r o l s u rfa c e s h o u l d b e b u i l t a t t h e s a me t i me . T h e r e s e a r c h r e s u l ma k e a r e f e r e n c e for t h e d e s i gn o f t h e b o o s t e r - c o nt r o l s u r f a c e s s y s t e m. Ke y wo r d s Hy d r a u l i c b o o s t e r ;L i n e a r mo d e l ;No n l i n e a r mo d e l ;Ai r c r aft 现代大型或 陕速飞机由于操纵面载荷的增大 ,普 遍采用液压伺服作动器推动操纵面偏转 ,实现飞机的 姿态控制。全电传无机械备份的飞机,采用的是电液 伺服作动器,该类作动器采用的是内反馈 ,在考虑伺 服系统设计时主要考虑系统 的功率、响应速度等参 数,一般不会出现系统不稳定的情况;而使用机械备 份的电传飞机和使用机械助力系统的飞机,由于使用 的是外反馈的伺服作动器 ,也称助力器 ,总是会 遇到 系统参数不匹配导致的系统稳定性问题。这种不稳定 现象在苏联制 米格 1 9 ,国产 歼 6 、歼 7 、歼 8 、运 8 等飞机上都有出现。这种不稳定会使操纵面在助力器 的推动下产生低频 自激振荡,容易造成附件损坏、接 头松动,直接影响操纵系统的使用寿命和工作可靠 性 ;对飞机则会影响飞行品质 ,严 重时甚 至影响飞机 的飞行安全 。 据了解,国内设计生产的使用液压助力器飞机, 都是先安装了助力器,在试验中发现了不稳定才去考 虑匹配 的问题 ,导致 飞机 的研 制周 期 延 长 、成本 增 加。为此,借鉴国内的研制经验和既有成果 ,构建基 于数字平台的飞机操纵面伺服作动系统仿真模型,以 数字仿真的方法分析影响系统稳定性的主要因素 ,在 伺服作动器制造和装机前完成仿真分析工作,为样件 试制和试验提供初步条件,降低样件设计试验成本。 控制系统的设计,特别是工程应用时通常使用的 都是线性化 的模型 ,而助力器 由于涉及到液压油 的工 作问题,其工作是典型的非线性问题。因此本文作者 针对此系统建立了非线性模型,并分析了线性模型的 不足 。 图 1 是单腔室液压助力器的原理图 。 收稿 日期2 0 1 3 0 31 5 作者简介周华刚 1 9 7 7 一 ,男,工学硕士,高级工程师,研究方向为飞机飞行控制、液压系统设计研究。E ma i l z e n o _mo o n 1 63. c o m。 1 3 8 机床与液压 第 4 2卷 输入 主 滑 阀 副 滑 阀 图 1 1 仿真模型的建立及结果分析 1 . 1 常 用模 型 单腔式液压助力器原理图 为反馈系数; i为输入信号幅值 ,m; 助力器由四通阀和液压缸组成,是最常见的动力 机构,其动态特性主要取决于伺服阀、液压缸和负载 , 其简化模型见图2 。在动力机构分析中,假定系统负载 为质量、弹簧和黏性阻尼组成的单 自由度系统 引。 图 2 四通 控 掖 』 盘缸 动 力 机 嗣 滑阀运 动方程 K i i K f f Y 非线性 方程 Q C d W X Q L A d t c 。 p L L A pLF m d t 2 B e 业 d t 线性化方程 Q L K 。 一K 。 P 警 厕 K O Q L c . w x , ,/ p . - p 一 / p O P L 式 中 为输入系数 输 出 Y 为输出信号幅值 ,m; c 为 流量 系数 ,通 过参 考 资 料 知 其 值 为 0. 61~0 . 6 2; 为滑阀位移,m; w为滑阀节流窗口面积梯度。若采用整周圆开 口,则 w1 T d ,d为滑阀的直径; P为液压油的密度 ,一般为 8 5 0~ 1 2 0 0 k g / m 3 ; P 为液压 源的压力 ; P . 为液压缸活塞两端压力差 ; 为液体体积弹性模量,P a ,一般取 1 2 2 5~ 1 3 7 2 MPa ; 为一般选用零位条件下的计算值 Q 0 , 0,P L 0 ; K c为一般使用节流孑 L 来估算 , ,r 是 阀芯与阀套之间的径向间隙,可取 5 X 1 0~m, 是 液体动力黏度,一般取 I . 3 7 X 1 0 ~P a s ; c 为总泄漏系数, m 3 / s / P a ,C 。 C 。 C / 2 ; 为液压缸的总液体体积,V t A X L ,L是活 塞 的总行程 ; m为活塞及负载的总质量,k g ; B 为黏性阻尼系数 ,N / m / s ; 为负载弹簧刚度 ,N / m; A为活塞面积 ,i n ; F为负载力 ,N。 1 . 2线性化 方程 的传 递 函数 线性化方程的传递函数由图 3 求出,可推导出活 塞输出位移与滑阀位移及负载间的关系。 图 3 四通阀控液压缸动力机构方框图 利用频域分析的方法可以判定 K r K 。 / A 2 W n 系统才是稳定的 。转换为系统参数就是 、;\,、 、,、,、, 1 2 3 4 5 6 7 8 / , /L, / / , , 第 7期 周华刚 等 飞机液压助力器模型分析 1 3 9 K f K 2 。 A B c m 9 即当系统参数满足式 9 时,系统都能达到稳 定 。 当以参数 K i 0 . 5 ,K f 0 . 5 ,F1 0 0 0 0 N,K q 0 . 4 5 m / s / m,K c 1 . 71 0 。 i n / s / P a ,A 1 . 2 5 X 1 0一 。m , m 2 5 k g, L 0 . 1 2 m , A X L 1 . 5 X1 0 一m , 1 2 5 01 0 。 P a ,B 1 0 0 N / m / s 。 进行仿真时,以阶跃输入信号作为输入时,系统的响 应及部分参数见图 4 。从图中可见活塞两端的压力差 P . 达到了 6 0 0 M P a ,而系统的最大输人压力才能是 2 0 . 6 M P a ;系统的流量达到了 1 0 0 0 L / ra i n ,这些参数 使系统在 阶跃输入下形 成了稳定 的输 出,但 实际 的助 力系统是不能实现上述的两个参数值的。 时间f / s a 输入输出信号 时间t / s c 流 量 O . 0 3 0 . 0 2 5 0 . 0 2 目 0 .0 1 5 越 o . 0 l 瑙 0 . 0 0 5 O 时 间f , s b 活塞 两端 压差 时 间f , s d 速度 图 4 线性系统在 阶跃输入下 的响应 图5为线性系统在多种频率输入下系统的响应。 0 . 0 4 5 0. 0 4 0 . 03 5 O . O 3 宴 0 . 0 2 5 j 翌0 . 0 2 馨 0 . 0 1 5 O . 0 l 0 . 0O 5 0 .0 . 0O 5 时间f / s a o0 . 1 r a d / s 0 .0 6 0. 04 目 0 .0 2 趔0 馨 .0 . 0 2 .0. 04 .0. 06 ⋯ 输 入信 号 时 间 s c 1 0 r a d / s 图5 线性系统在多种频率输入下系统的响应 当输入信号的频率依次从 0 . 1 r a d / s 、1 r a e [ / s到 1 0 r a d / s 时,系统都能有稳定的输出,仿真结果见图 5 。助力器 一操纵面系统是一个典型的非线性系统 , 已经证实了助力器只有在一定频率范围内的输入信号 是稳定的,超出该频率范围的输入都不会得到稳定的 输 出 “ 。 上述对线性化模型的仿真 ,从流量、压力和频率 响应情况都说 明了线性化模型并不能真实反应系统的 实 际运行情况 ;因此需要模型进行修正 。 1 . 3 修 正后 的模 型 式 6 k q 的表达式 已经与 流量 的非 线性表 达 式 2 完全相同,这时线性化的方程 5 却还需 要减去 K c p 。若 K 相对 K 是很小的,则可忽略 不计 ,若不是相对很小的,则线性化的方程与非线性 方程 就有较 大的误差 。 例如系统为 0 . 0 6 m / s 的稳定输出,需要 5 . 1 4 X 1 0 I n的滑 阀开 度 ,其 中 K q 0 . 4 5 m / s / m,K 0 1 . 5 X 1 0 n l / s / P a ,代入式 5 ,得 到Q L K q x 一 K P L 一3 . 0 7 L / ra i n 。 但同样的滑 阀开度和同样的负载压差 ,代入式 2 的流量方程为 Q L C d W X / P - p L / p1 3 . 8 L / ra i n 。 而实际系统需 要流量 是 8 . 3 3 1 0 ~ 0 . 0 6 X 61 0 一3 L / ra i n 不考虑泄漏 。可以看到同样的参 数,非线性方程和线性化方程的流量差别很大。 为此建 立助力 器输入 腔和输 出腔两者 的方程 ,分 别对两腔的液压参数进行仿真和分析。 滑阀流量方程 Q , C d W X / 2 p 一 P 。 / p 1 0 Q C d W X / 2 P 2 一 P 0 / o 1 1 液压缸 连续性 方程 c p 2 d V l 1 2 一 』 【 c ic p 2 一 C 一 ] 1 3 y , / 2 A y 1 4 v t/ 2一 A y 1 5 动力机 构力平衡方程 a p 一 P 2 Fm d t 1 6 各项仿真参数为 Cd0 . 6 2,P 2 0. 6 MPa,P 0 1 MPa,P 8 7 0 m / s , 1 2 5 0 M P a ,C i。 1 X 1 0 m / s / P a , A 41 0一 。I n , F 3 0 0 0 0 N, 11 0一 i n , r / 4 0 0 lI l 1 4 0 机床与液压 第4 2卷 图6为非线性方程仿真结果 ,可以看出,系统的 压差、流量等的变化更能真实反映机构的情况,如压 差变化、流量系数 、流量压力系数等。系统速度稳定 时的流量要求是 2 4在 L / m i n ,系统 的泄漏 系数 是 C 1 1 0 m / s / P a ,在 1 0 M P a的压 差下 ,流 量是 0 . 0 6 L / m i n ,总流量与图 6中的流量仿真结果 2 4 . 0 7 L / m i n 结果一致。这种仿真模型能实时计算流 量系数和流量压力系数,图6中的仿真结果特别是稳 态值与线性化方程的稳定值要求接近。 言 一 R 时 间t / s c 流量 压 力系数 3 5 3 0 .曼 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 籁 咖 毽 图6 非线性方程仿真结果 2结论 通过分别建立进回油腔的仿真模型,对其参数进 行仿真更能反映系统的现实情况。现有的线性化模型 在初期设计时有一定的作用,但不能真实体现助力器 的工作情况,有一定的误导。根据现有的工作经验, 只有建立全系统的非线性及弹性模型,才能真正地对 助力器及系统的设计提供一定 的参考 。 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 , 3 4 1 8 4 8 5 . 【 2 】陈召涛, 孙秦. 液压助力器动态特性 S i m u l i n k仿真与优化 [ J ] . 机械设计与制造, 2 0 0 6 1 9 6 9 7 . 【 3 】杜来林, 郑勇. 影响液压助力器稳定性的因素及改善措施 [ J ] . 液压气动与密封, 2 0 0 8 4 1 7 1 9 . 【 4 】吴振顺. 液压控制系统[ M] . 北京 高等教育出版社, 2 0 0 8 . 5 . 【 5 】王春行. 液压伺服控制系统 [ M] . 北京 机械工业出版社, 1 9 8 7. 【 6 】郭辉, 王平军, 郭涛. 基于 S i m u l i n k的飞机液压助力器建模 与仿真研究[ J ] . 机床与液压 , 2 0 0 7 , 3 5 9 2 2 2 2 2 3 . 【 7 】李培滋 , 王占林. 飞机液压传动与伺服控制[ M] . 北京 国防 工业出版社, 1 9 7 9 . 【 8 1林其昌, 王新洲. 直- 9直升机主液压助力器稳定性分析 [ J j . 直升机技术. 2 0 0 0 1 3 2 3 8 . 【 9 】 杨国祯. 飞机流体传动与控制[ D] . 西安 空军工程学院, 1 9 8 7. 【 l 0 】李永堂, 雷步芳. 液压系统建模与仿真[ M] . 北京 冶金工 业出版社, 2 0 0 3 . 【 1 1 】M i n g C h a n g . T h e A d a p t i v e P o s i t i o n C o n t r o l o f a n E l e c t r o H y d r a u l i c S e r v o C y l i n d e r [ J ] . J S MM E I n t e rn a t i o n a l J o u r n a l , 1 9 9 1 3 3 7 03 7 5 . 【 1 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 2 3 3 3 5 . 上接第 1 5 1页 同类型参数能有效去除网络冗余数据,节约网络耗 能,准确表征机组的实际状态,为故障识别提供 良好 的数据源。而改进的 D - s 证据理论算法综合处理不同 类型参数的证据 ,有效处理冲突,采用了一种较为直 观可行的基本概率赋值函数方法,显著提高了诊断系 统的故障辨识能力 。 参考文献 【 1 】 杨伟, 贾石峰. 基于 R B F神经网络的风力发电机组故障诊断 研究[ J ] . 电气传动 自 动化, 2 0 0 9 , 3 1 2 1 8 1 9 . 【 2 】何小飞, 童晓阳, 孙明蔚. 基于贝叶斯网络和 D S证据理论 的分布式 电网故 障诊断 [ J ] . 电力 系统 自动化 , 2 0 1 1 , 3 5 1 0 1 0 9 1 1 1 . 【 3 】徐晓滨, 文成林, 王迎昌. 基于模糊故障特征信息的随机集 度量信息融合诊断方法[ J ] . 电子与信息学报 , 2 0 0 9 , 3 1 7 1 6 3 5 1 63 9 . 【 4 】董海鹰, 李娜. 基于D S 证据理论信息融合的转辙机故障诊 断方法研究[ J ] . 测试技术学报, 2 0 1 3 , 2 7 1 1 6 . 【 5 】X U C h u n m e i , Z H A N G H a o , P E N G D a o g a n g , e t a 1 . S t u d y o f F a u l t Di a g n o s i s o f I n t e g r a t e o f D S Ev i d e n c e Th e o r y Ba s e d O 1“1 N e u r a l N e t w o r k f o r T u r b i n e[ J ] . E n e r g y P r o e e d i a , 2 0 1 2 , 1 6 C 2 0 2 0 72 0 3 2 . 【 6 】D U H a i l i a n , L V F e n g , L I S h u e , e t a1. S t u d y o f F a u l t D i a g n o s i s M e t h o d B a s e d o n D a t a F u s i o n T e c h n o l o g y [ J ] . P r o c e d i a E n g i n e e fi n g , 2 0 1 2, 2 9 C 2 5 9 02 5 9 4 . 【 7 】S A L A HS H O O R K a r i m, K O R D E S T A N I Mo j t a b a , K H O S H R O Ma j i d S . F a u l t De t e c t i o n a n d Di a g n o s i s o f a n I n d u s t r i a l S t e a m T u r b i n e U s i n g F u s i o n o f S VM S u p p o a Ve c t o r Ma c h i n e a n d A N F I S A d a p t i v e N e u r o f u z z y I n f e r e n c e S y s t e m c l a s s i fi e r s [ J ] . E n e r g y , 2 0 1 0 , 3 5 5 4 7 2 5 4 8 2 . 【 8 】李莉, 高冰. 自适应加权信息融合加权因子的动态调整[ J ] . 战术导弹技术 , 2 0 1 1 3 1 0 9 ~1 1 1 . 【 9 】李月, 徐余法, 陈国初, 等. D s证据理论在多传感器故障诊 断中的改进及应用 [ J ] . 东南大学学报 , 2 0 1 1 9 1 1 2 1 0 5 . 【 1 0 】 杨靖, 林益, 洪露, 等. 一种改进的 D S证据理论合成方法 [ J ] . 计算机工程与应用, 2 0 1 2 , 4 8 2 0 1 5 0 1 5 3 . 【 1 1 l李玲玲, 马东娟, 王成山, 等. D s证据理论冲突处理新方法 [ J ] . 计算机应用研究, 2 0 1 1 , 2 8 1 2 4 5 2 8 4 5 3 0 .
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