劉念，王帆，李樹成

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽621000)

5.5 m×4m 聲學(xué)風(fēng)洞模型尾撐試驗裝置主要包括尾撐機(jī)構(gòu)、伺服液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。尾撐機(jī)構(gòu)(如圖1 所示)主要由變角度機(jī)構(gòu)、Y 向機(jī)構(gòu)和地坑組成，通過變角度機(jī)構(gòu)的動作以及和Y 向機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)模型迎角α 和側(cè)滑角β 的變化，并保證模型中心在變化過程中僅沿風(fēng)洞試驗段中心軸線方向移動。

圖1 5.5 m×4 m 聲學(xué)風(fēng)洞尾撐機(jī)構(gòu)三維模型

尾撐機(jī)構(gòu)實現(xiàn)角度運動的機(jī)制為(見圖2):迎角變化時，α 角油缸(兩個同向)驅(qū)動迎角頭繞迎角轉(zhuǎn)動中心旋轉(zhuǎn)，同時Y 向油缸(兩個同向)與α 角油缸協(xié)調(diào)運動，保證模型中心在風(fēng)洞軸線上，迎角變化范圍為－15° ～+90°;側(cè)滑角變化時，前β 角油缸(兩個反向)驅(qū)動前拐臂繞前側(cè)滑鉸鏈端偏轉(zhuǎn)，同時后β 角油缸(兩個反向)驅(qū)動后拐臂繞后側(cè)滑鉸鏈端偏轉(zhuǎn)，補(bǔ)償模型中心橫向偏移，通過前后兩組油缸協(xié)調(diào)運動，確保模型中心在風(fēng)洞軸線上，側(cè)滑角變化范圍為－30° ～+30°;通過迎角方向、側(cè)滑角方向和Y 向3 個方向的運動組合，實現(xiàn)模型不同姿態(tài)角的自動控制。

該尾撐機(jī)構(gòu)利用電液伺服閥控制液壓缸驅(qū)動重達(dá)數(shù)十噸的活動部件，其功能的實現(xiàn)需要機(jī)械、液壓和控制等各方面協(xié)調(diào)工作，是一個復(fù)雜的機(jī)電液系統(tǒng)。由于尾撐機(jī)構(gòu)具有3 個旋轉(zhuǎn)和1 個平移共4 個自由度，要實現(xiàn)模型姿態(tài)角的精確定位，并保證模型中心在變化過程中僅沿風(fēng)洞試驗段中心軸線方向移動，需要完善的控制策略。

圖2 尾撐系統(tǒng)迎角和側(cè)滑角機(jī)構(gòu)計算模型

利用LMS 公司的仿真軟件Motion 與AMESim 對該尾撐機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了建模，并利用軟件間的接口搭建聯(lián)合仿真平臺，實現(xiàn)了機(jī)電液聯(lián)合仿真研究。結(jié)果表明:文中提出的主從同步控制策略可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運動要求，模型迎角、側(cè)滑角定位精度均符合風(fēng)洞試驗的要求。

1 Motion/AMESim 聯(lián)合仿真平臺

Motion 是機(jī)械系統(tǒng)運動學(xué)/動力學(xué)仿真分析軟件，可以對機(jī)構(gòu)進(jìn)行全剛體分析和剛?cè)狁詈戏治?，用于模擬機(jī)械系統(tǒng)的實際運動和載荷。AMESim 是基于直觀的圖形界面的系統(tǒng)建模和仿真平臺，包含液壓、機(jī)械、信號控制等一系列專業(yè)應(yīng)用庫，能對電液控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析。

針對機(jī)電液系統(tǒng)，Motion/AMESim 聯(lián)合仿真平臺可以充分發(fā)揮各自的特長，分析機(jī)電液系統(tǒng)的耦合性能和能夠達(dá)到的控制指標(biāo)，對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行整體評估。Motion 和AMESim 集成和聯(lián)合仿真是通過軟件間的接口實現(xiàn)的，如圖3 所示，接口將電液系統(tǒng)輸出的液壓能通過液壓缸施加給機(jī)械系統(tǒng)，同時將機(jī)械系統(tǒng)輸出的位移和速度反饋給液壓缸，實現(xiàn)了電液系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的耦合和集成。

圖3 Motion 與AMESim 接口示意圖

2 風(fēng)洞尾撐系統(tǒng)建模

2.1 機(jī)械系統(tǒng)建模

在Motion 仿真平臺下，建立尾撐機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)模型。首先，在內(nèi)嵌的三維CAD 模塊中建立尾撐機(jī)構(gòu)的零件實體模型;然后，在機(jī)構(gòu)建模設(shè)計模塊中將建立的零件轉(zhuǎn)換為剛體構(gòu)件，進(jìn)行裝配并添加相應(yīng)的運動約束副和力;初始時，尾撐機(jī)構(gòu)靜止不動，模型的迎角α 和側(cè)滑角β 均為0°。完成的機(jī)械系統(tǒng)模型如圖4 所示。

圖4 尾撐機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)Motion 模型

2.2 電液系統(tǒng)建模

使用AMESim 的液壓、機(jī)械、信號控制庫創(chuàng)建電液控制系統(tǒng)模型，如圖5 所示。模型包括液壓、控制和接口3 個部分，共同組成了電液伺服位置控制系統(tǒng)。

如圖5，油源通過3 臺電機(jī)分別帶動3 臺油泵工作，每臺油泵流量為100 L/min，不足流量由蓄能器組提供。系統(tǒng)工作壓力為21 MPa。為減少伺服閥數(shù)量、降低系統(tǒng)成本，利用1 只電液伺服閥控制2 只油缸。壓力油由4 個電液伺服閥控制進(jìn)入4 組共8 個液壓缸。油缸和電液伺服閥的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖5 尾撐機(jī)構(gòu)電液控制系統(tǒng)AMESim 模型

表1 尾撐機(jī)構(gòu)油缸和電液伺服閥主要技術(shù)參數(shù)

3 聯(lián)合仿真分析

3.1 控制策略

進(jìn)行吹風(fēng)試驗時，模型姿態(tài)角有3 種運動模式:側(cè)滑角固定，改變迎角;迎角固定，改變側(cè)滑角;迎角和側(cè)滑角同時變化。3 種模式中，單獨變迎角或側(cè)滑角時，迎角機(jī)構(gòu)和側(cè)滑角機(jī)構(gòu)相互之間不涉及協(xié)調(diào)運動，控制較簡單;迎角和側(cè)滑角同時變化時，迎角機(jī)構(gòu)和側(cè)滑角機(jī)構(gòu)相互影響，控制相對復(fù)雜。

考慮到Y(jié) 向機(jī)構(gòu)和后側(cè)滑機(jī)構(gòu)主要用以補(bǔ)償模型中心的垂向和橫向偏移，屬于從動機(jī)構(gòu)。因此，針對模型姿態(tài)角的3 種變化模式，提出如圖6 所示的主從同步控制策略。

圖6 尾撐機(jī)構(gòu)姿態(tài)角主從控制框圖

初始時刻，迎角和側(cè)滑角均為零。側(cè)滑角β 固定，變迎角α 時，給定迎角信號，利用α 角油缸直線位移傳感器實時測得的位移值解算出模型中心的垂向偏移，進(jìn)而驅(qū)動Y 向機(jī)構(gòu)運動加以補(bǔ)償。同理，迎角α 固定，變側(cè)滑角β 時，給定側(cè)滑角信號，利用前側(cè)滑油缸直線位移傳感器實時測得的位移值解算出模型中心的橫向偏移，進(jìn)而驅(qū)動后側(cè)滑機(jī)構(gòu)運動加以補(bǔ)償。迎角α 和側(cè)滑角β 同時變化時，Y 向機(jī)構(gòu)和后側(cè)滑機(jī)構(gòu)同時動作，分別補(bǔ)償模型中心的垂向和橫向偏移。此時，迎角機(jī)構(gòu)和側(cè)滑角機(jī)構(gòu)相互之間影響，需協(xié)調(diào)考慮。

3.2 仿真結(jié)果分析

初始時刻，尾撐機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，模型迎角和側(cè)滑角均為零，模型中心在試驗段中心線垂直面上的投影坐標(biāo)為(0，0)。

對側(cè)滑角β 固定、迎角α 變化(α =80°、β =0°)，迎角α 固定、側(cè)滑角β 變化(α =0°、β =30°)和側(cè)滑角β 和迎角α 同時變化(α =80°、β =30°)3種不同工況，設(shè)置仿真時間200 s，進(jìn)行機(jī)電液聯(lián)合仿真并對比分析。圖7 示出了側(cè)滑角β 和迎角α 同時變化時，模型姿態(tài)角變化曲線，對應(yīng)模型中心偏離風(fēng)洞試驗段中心的距離如圖8 所示。

圖7 α=80°、β=30°時，模型姿態(tài)角變化曲線

圖8 α=80°、β=30°時，模型中心位置變化曲線

綜合3 種工作模式，從仿真結(jié)果可以看出:采用主從同步控制策略，尾撐機(jī)構(gòu)定位80 s 后，模型迎角誤差均小于0.05°，側(cè)滑角誤差小于0.01°，可以實現(xiàn)姿態(tài)角的精確定位;模型中心在變化過程中近似沿風(fēng)洞試驗段中心軸線方向移動，距離偏差小于2 cm，滿足風(fēng)洞試驗的要求。

4 結(jié)論

借助仿真軟件Motion 和AMESim，對5.5 m×4 m聲學(xué)風(fēng)洞多自由度尾撐裝置進(jìn)行了機(jī)電液一體化建模與全剛體仿真分析。結(jié)果表明:采用主從同步控制策略，尾撐機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)模型姿態(tài)角的精確定位，并保證模型中心在變化過程中僅沿風(fēng)洞試驗段中心軸線方向移動，滿足風(fēng)洞試驗的要求。結(jié)果還表明:利用Motion/AMESim 聯(lián)合仿真平臺能方便快捷地對機(jī)電液系統(tǒng)進(jìn)行建模，預(yù)測系統(tǒng)性能，分析系統(tǒng)的耦合性能和能夠達(dá)到的控制指標(biāo)，對機(jī)電液系統(tǒng)的設(shè)計和分析具有十分重要的作用。

【1】李樹成.5.5 m×4 m 聲學(xué)風(fēng)洞尾撐液壓系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計［R］.綿陽:中國空氣動力研究與發(fā)展中心，2011.

【2】尹永濤.5.5 m×4 m 航空聲學(xué)風(fēng)洞尾撐系統(tǒng)施工設(shè)計［R］.綿陽:中國空氣動力研究與發(fā)展中心，2010.

【3】萬曉峰，劉嵐，曹巖.LMS Virtual.Lab Motion 入門與提高［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

【4】付永領(lǐng)，齊海濤，李慶. LMS Imagine.Lab AMESim 系統(tǒng)建模和仿真實例教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

【5】劉念，李樹成，王帆. 基于Motion/AMESim 的某風(fēng)洞迎角機(jī)構(gòu)建模與仿真研究［J］. 機(jī)床與液壓，2012，40(11):135 －137.