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(1.上海航天控制技術(shù)研究所， 上?！?01108； 2.上海市空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海　201108)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)對(duì)其作動(dòng)器提出了新的要求，不但要求其動(dòng)態(tài)特性好、生存能力強(qiáng)，而且必須具備功率大、效率高的特點(diǎn)[1]。目前運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)作動(dòng)器大部分采用傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)，它屬于節(jié)流控制系統(tǒng)，雖然具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)高的優(yōu)點(diǎn)，但其重量較大、工作效率較低[2]。而電靜液伺服作動(dòng)器屬于容積控制系統(tǒng)，雖然動(dòng)態(tài)響應(yīng)較低，但其重量較輕、工作效率較高[3]。為充分發(fā)揮上述兩種作動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)是一種最佳選擇，它不但能夠提高作動(dòng)系統(tǒng)工作效率和降低系統(tǒng)質(zhì)量，同時(shí)兼顧其動(dòng)態(tài)特性較高的優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)外主要集中研究電靜液伺服作動(dòng)系統(tǒng)[4]，電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)研究則較少，電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)核心理論為負(fù)載敏感技術(shù)，主要將其應(yīng)用于挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)，并且取得了顯著節(jié)能效果[5]，而應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)則較少，主要原因?yàn)樨?fù)載敏感泵出口壓力脈動(dòng)導(dǎo)致液壓缸位置控制精度較低，不滿足伺服系統(tǒng)要求[6]。文獻(xiàn)詳細(xì)研究了此種現(xiàn)象，并且通過(guò)優(yōu)化壓力補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)位置控制精度[7]，這使得負(fù)載敏感技術(shù)應(yīng)用伺服控制系統(tǒng)成為一種可能。國(guó)內(nèi)對(duì)負(fù)載敏感技術(shù)節(jié)能效果做了大量研究[8]，但應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)的研究也僅僅停留在理論階段[9]。因此電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)研究工作對(duì)于在兼顧作動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)同時(shí)提高工作效率具有重要意義。

1　工作原理

電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

1.電機(jī)　2.變量泵　3.變量機(jī)構(gòu)　4.粗過(guò)濾器　5.壓力補(bǔ)償器 6.溢流閥　7.油箱　8.單向閥　9.精過(guò)濾器　10.電液伺服閥 11.梭閥　12.作動(dòng)筒　13.位置傳感器　14.控制器圖1　電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)工作原理圖

電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)工作過(guò)程中電機(jī)1以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，當(dāng)伺服控制器14接收來(lái)自上位機(jī)程序指令并將其轉(zhuǎn)化為伺服機(jī)構(gòu)可以接收的電信號(hào)，如果電信號(hào)為零時(shí)，電液伺服閥10處于關(guān)閉狀態(tài)，變量機(jī)構(gòu)3使變量泵2保持最小排量，系統(tǒng)功率損失僅為內(nèi)部泄露。如果電信號(hào)不為零時(shí)，電液伺服閥10開啟，作動(dòng)筒12兩腔通過(guò)梭閥11進(jìn)行比較輸出高壓腔壓力信號(hào)，壓力信號(hào)通過(guò)壓力補(bǔ)償器5與變量泵2出口壓力進(jìn)行比較，并且與其保持恒定壓力差值，因此變量泵2出口工作壓力能夠隨負(fù)載而變化。而電液伺服閥10則通過(guò)閥芯開度控制輸出流量，從而控制作動(dòng)筒12的工作速度。位置傳感器13通過(guò)測(cè)試作動(dòng)筒12活塞桿位移量傳遞給控制器14從而形成閉環(huán)精確控制。

綜上所述，電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)變量泵出口工作壓力能夠隨負(fù)載而變化，同時(shí)無(wú)功率輸出時(shí)不會(huì)產(chǎn)生溢流損失，因此能夠大大提高其工作效率。

2　方案分析

本研究采用AMESim建立電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，以便對(duì)其動(dòng)態(tài)特性和節(jié)能效率進(jìn)行深入研究，具體建模過(guò)程詳見文獻(xiàn)[10]，仿真模型如圖2所示。壓力流量閥和變量機(jī)構(gòu)為系統(tǒng)關(guān)鍵部分，故采用分組元件設(shè)計(jì)以便獲得更詳細(xì)仿真數(shù)據(jù)。閉環(huán)系統(tǒng)僅采用比例控制。

圖2　電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)方框圖

電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)額定工作壓力為21 MPa，額定負(fù)載為35 kN，額定工作行程為45.9 mm。變量泵出口工作壓力和作動(dòng)筒高壓腔工作壓力差值通過(guò)壓力流量閥調(diào)節(jié)保持恒定值1.4 MPa。其他主要元件相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)主要元件關(guān)鍵參數(shù)

目前伺服作動(dòng)器主要為傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)和電靜液伺服系統(tǒng)，為分析電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，必須與它們?cè)谙嗤念~定負(fù)載、額定位移和額定壓力下進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)電液伺服復(fù)合控制系統(tǒng)建模過(guò)程同理可在商業(yè)軟件AMESim中建立傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)和電靜液伺服系統(tǒng)仿真模型。因工作條件相同，傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)作動(dòng)筒組件和電液伺服閥組件與電液復(fù)合控制系統(tǒng)參數(shù)相同，定量泵經(jīng)計(jì)算其排量為2.73 mL/r，轉(zhuǎn)速為5500 r/min。電靜液伺服系統(tǒng)作動(dòng)筒組件和變量泵關(guān)鍵參數(shù)與電液復(fù)合控制系統(tǒng)相同，電靜液伺服系統(tǒng)主回路無(wú)電液伺服閥。

2.1　輸入信號(hào)

系統(tǒng)輸入信號(hào)是模擬火箭不同飛行姿態(tài)過(guò)程中伺服系統(tǒng)所要求的負(fù)載和位置特性。根據(jù)工作過(guò)程分析，伺服系統(tǒng)負(fù)載和位移都是隨時(shí)間而變化，并且伺服系統(tǒng)工作之前，其活塞桿輸出端就已經(jīng)處于加載狀態(tài)。由上述伺服系統(tǒng)工作原理可知，當(dāng)伺服系統(tǒng)處于加載狀態(tài)時(shí)，電液伺服閥在工作前系統(tǒng)工作壓力處于高壓狀態(tài)，而且伺服機(jī)構(gòu)位移輸出之前通常處于零信號(hào)狀態(tài)。為了模擬火箭姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中伺服系統(tǒng)的工作過(guò)程，同時(shí)兼顧極限工況，伺服系統(tǒng)施加負(fù)載信號(hào)如圖3所示，位移輸入信號(hào)如圖4所示。

圖3　伺服系統(tǒng)負(fù)載輸入信號(hào)

圖4　伺服系統(tǒng)位移輸入信號(hào)

由圖3和圖4可知，當(dāng)伺服系統(tǒng)處于0～1 s之間時(shí)，作動(dòng)筒處于加載狀態(tài)，但位移輸入信號(hào)為零，電液復(fù)合控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)電液伺服閥處于關(guān)閉狀態(tài)，電液復(fù)合控制系統(tǒng)與電靜液伺服系統(tǒng)變量泵保持最小排量，僅供內(nèi)部泄漏，三系統(tǒng)均無(wú)功率輸出。這主要是模擬上位機(jī)零信號(hào)輸入時(shí)伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)。隨后1～2 s內(nèi)系統(tǒng)位移輸入信號(hào)發(fā)生階躍，電液復(fù)合控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)電液伺服閥開啟，電液復(fù)合控制系統(tǒng)與電靜液伺服系統(tǒng)變量泵排量迅速變大，液壓油不斷進(jìn)入作動(dòng)筒高壓腔，活塞開始運(yùn)動(dòng)并且達(dá)到期望值，這個(gè)是模擬上位機(jī)非零信號(hào)輸入時(shí)伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2.2　系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)上述輸入信號(hào)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真，可得上述三種伺服控制系統(tǒng)活塞位移和速度動(dòng)態(tài)特性曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5　三系統(tǒng)活塞位移動(dòng)態(tài)特性曲線

圖6　三系統(tǒng)活塞速度動(dòng)態(tài)特性曲線

由圖5可知，初始時(shí)刻，因突然增加負(fù)載，作動(dòng)筒高壓腔壓力瞬間增加，活塞出現(xiàn)局部負(fù)位移，但很快就回位至中間位置，因此活塞輸出速度在零位附近出現(xiàn)較大震蕩如圖6所示，但很快又穩(wěn)定在零值，因此三系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)。電液復(fù)合控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)在其他穩(wěn)定狀態(tài)活塞輸出速度基本為零，而電靜液伺服系統(tǒng)因阻尼比較小，活塞穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間小幅震蕩，因此活塞輸出速度在零位附近出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間等幅震蕩如圖6所示。

電靜液伺服系統(tǒng)、電液復(fù)合控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間逐漸提前，因此動(dòng)態(tài)性能逐漸提高。電液復(fù)合控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)沒有超調(diào)量，而電靜液伺服系統(tǒng)因在穩(wěn)態(tài)值附近出現(xiàn)等幅值震蕩而出現(xiàn)一定的超調(diào)量。根據(jù)自動(dòng)控制原理可計(jì)算系統(tǒng)關(guān)鍵動(dòng)態(tài)指標(biāo)如表2所示。

表2　三系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)

由表2可知，電靜液伺服系統(tǒng)、電液復(fù)合控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)最大穩(wěn)態(tài)速度逐漸提高，因此上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間逐漸降低，動(dòng)態(tài)性能逐漸變好。電液復(fù)合控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)沒有出現(xiàn)超調(diào)量，而電靜液伺服系統(tǒng)因阻尼比較小出現(xiàn)小幅震蕩，超調(diào)量較小，因此電靜液伺服系統(tǒng)相對(duì)其他兩種系統(tǒng)穩(wěn)定性能較差，位置控制精度不高。另外在實(shí)際過(guò)程中，伺服泵頻繁出現(xiàn)正負(fù)流量切換而出現(xiàn)加大液流沖擊，因此系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)較大噪聲和振動(dòng)。

綜上所述，電液復(fù)合控制系統(tǒng)相對(duì)于電靜液伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性能較好，位置控制精度較高；而動(dòng)態(tài)性能雖然比不上傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)，但相對(duì)于電靜液伺服系統(tǒng)卻有了加大的提升，完全能夠滿足運(yùn)載火箭的動(dòng)態(tài)指標(biāo)需求。

2.3　工作效率分析

運(yùn)載火箭負(fù)載變化會(huì)引起電液復(fù)合控制伺服系統(tǒng)巨大的節(jié)能效率差異。而電液復(fù)合控制伺服系統(tǒng)節(jié)能重要特性就是負(fù)載敏感泵出口工作壓力隨負(fù)載而變化，下面將以負(fù)載階躍信號(hào)和斜坡信號(hào)為例進(jìn)行仿真分析上述三系統(tǒng)工作效率。兩種負(fù)載響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7　不同負(fù)載力變化曲線

1) 計(jì)算原理

當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功率輸出時(shí)，電液復(fù)合控制系統(tǒng)和電靜液伺服系統(tǒng)僅為較小內(nèi)部泄漏功率損失，而傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)則通過(guò)溢流閥損失全部功率，當(dāng)系統(tǒng)有功率輸出時(shí)，有效功可計(jì)算如下：

(1)

式中：t0為仿真初始時(shí)間；tf為仿真結(jié)束時(shí)間；F為系統(tǒng)輸出端施加負(fù)載力；v為作動(dòng)筒輸出速度。

系統(tǒng)全部輸出功可計(jì)算如下：

(2)

式中：p為液壓泵輸出口工作壓力；Q為液壓泵出口工作流量。

因此系統(tǒng)工作效率可表示如下：

(3)

2) 節(jié)能仿真分析

當(dāng)系統(tǒng)作動(dòng)筒活塞要求期望位移始終保持如圖4所示階躍響應(yīng)，負(fù)載響應(yīng)變化曲線如圖7所示時(shí)，根據(jù)上述所建仿真模型可得負(fù)載階躍響應(yīng)和斜坡響應(yīng)條件下兩種系統(tǒng)凈輸出和總能量消耗分別如圖8和圖9所示。仿真過(guò)程不考慮系統(tǒng)內(nèi)部泄漏能量損失。圖中傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)總消耗能量太大影響其他能量消耗圖形顯示，因此傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)總能量消耗僅顯示局部圖形。

由圖8可知，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功率輸出時(shí)，初始時(shí)刻，因作動(dòng)筒承壓腔壓力較小，負(fù)載力突然增加，作動(dòng)筒活塞位移向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，三系統(tǒng)凈輸出有較小負(fù)能量。因變量泵一直處于能量輸出狀態(tài)，因此三系統(tǒng)總能量消耗為正能量輸出，隨著時(shí)間的推移，因電液伺服閥處于關(guān)閉狀態(tài)、負(fù)載敏感泵和伺服泵處于最小排量狀態(tài)，三系統(tǒng)凈輸出能量為零。但三系統(tǒng)總能量消耗卻在小幅增加，這是因?yàn)橄到y(tǒng)壓力波動(dòng)造成溢流閥溢流而損失部分能量。

圖9　斜坡響應(yīng)能量曲線

當(dāng)系統(tǒng)有功率輸出時(shí)，電液伺服閥開啟、負(fù)載敏感泵和伺服泵排量逐漸變大，三系統(tǒng)輸出能量迅速增加，因輸出負(fù)載和位移都相同，最終凈輸出能量都基本相等。而系統(tǒng)總能量消耗中，電靜液伺服系統(tǒng)、電液復(fù)合控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)卻逐漸增加，原因如下：電靜液伺服系統(tǒng)伺服泵輸出功率完全隨負(fù)載而變化，沒有節(jié)流損失，因此電靜液伺服系統(tǒng)能量損失最小，即總消耗能量最小，而電液復(fù)合控制系統(tǒng)變量泵出口工作壓力雖然隨負(fù)載壓力而變化，但其始終比作動(dòng)筒高壓腔高1.4 MPa，存在一定的節(jié)流損失。因此它比電靜液伺服系統(tǒng)損失能量要大。而傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)定量泵出口工作壓力一直保持最大額定工作壓力，且電液伺服閥關(guān)閉時(shí)全部功率通過(guò)溢流損失，而當(dāng)電液伺服閥開啟時(shí)隨著作動(dòng)筒活塞桿逐漸達(dá)到期望值，變量泵出口功率不變，要求輸出瞬態(tài)功率逐漸減小，因此通過(guò)溢流閥損失功率就逐漸增多。

同理可分析圖9負(fù)載斜坡響應(yīng)能量曲線變化，根據(jù)式(1)～式(3)可計(jì)算三系統(tǒng)能量?jī)糨敵龊涂傁娜绫?所示。

由表3可知，電靜液伺服系統(tǒng)在兩種負(fù)載響應(yīng)曲線條件下工作效率最高，閥控工作效率最低。原因前面已經(jīng)詳細(xì)分析。負(fù)載斜坡響應(yīng)條件下三系統(tǒng)能量?jī)糨敵龊涂傁亩急入A躍響應(yīng)要低，因?yàn)殡A躍響應(yīng)后負(fù)載總是處于最大值，而斜坡響應(yīng)負(fù)載卻是逐漸增加。兩種負(fù)載條件下，電液復(fù)合控制系統(tǒng)工作效率與電靜液伺服系統(tǒng)相差并不大，這是因?yàn)樗鼈兌紱]有溢流損失，并且電液復(fù)合控制系統(tǒng)比電靜液伺服系統(tǒng)多了1.4 MPa的節(jié)流損失。

表3　三系統(tǒng)兩負(fù)載條件下能量消耗

3　結(jié)論

通過(guò)分析運(yùn)載火箭工作背景提出了電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)，介紹了其工作原理，以商業(yè)軟件AMESim建立了系統(tǒng)仿真模型圖，最后通過(guò)對(duì)比電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)、電靜液伺服系統(tǒng)和傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和節(jié)能效率仿真結(jié)果，總結(jié)了電液復(fù)合伺服控制系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，具體結(jié)論如下：

(1) 電靜液伺服系統(tǒng)、電液復(fù)合控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)在相同額定負(fù)載和位移條件下最大穩(wěn)態(tài)速度逐漸提高，因此上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間逐漸降低，動(dòng)態(tài)性能逐漸變好；

(2) 電液復(fù)合控制系統(tǒng)相對(duì)于電靜液伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性能較好，位置控制精度較高；而動(dòng)態(tài)性能雖然不及傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)，但相對(duì)于電靜液伺服系統(tǒng)卻有了較大的改善，完全能夠滿足運(yùn)載火箭伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性要求；

(3) 當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功率輸出時(shí)，初始時(shí)刻三系統(tǒng)凈輸出有較小負(fù)能量，隨著時(shí)間推移，三系統(tǒng)凈輸出能量為零。但三系統(tǒng)總能量消耗卻在小幅增加，原因?yàn)橄到y(tǒng)壓力波動(dòng)造成溢流閥溢流而損失部分能量；

(4) 當(dāng)系統(tǒng)有功率輸出時(shí)，因輸出負(fù)載和位移都相同，三系統(tǒng)最終凈輸出能量都基本相等。因電液復(fù)合控制系統(tǒng)存在較小節(jié)流損失，傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)存在較大節(jié)流和溢流損失，電液復(fù)合控制系統(tǒng)總能消耗較接近電靜液伺服系統(tǒng)，但遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)。因此電液復(fù)合控制系統(tǒng)節(jié)能效率較接近電靜液系統(tǒng)，卻遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)。

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