張熙，李沁程，許浩

（中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0 引言

隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，加之航空航天技術(shù)是衡量國家整體軍事實力的重要因素之一[1]，為提升飛行安全性，對航材檢測和維修提出了更高的要求，加之智能技術(shù)和電液伺服控制技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和提升。當(dāng)前采用電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)備，具有控制穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、抗負(fù)載能力強(qiáng)及節(jié)能等優(yōu)點[2]。故提出主飛控液壓作動器試驗臺研制此試驗臺主要功能是對作動器中的副翼、升降舵、方向舵以及擾流板作動器進(jìn)行性能檢測，采用自動化手段來對航材器件進(jìn)行檢測，以提升我國在航空航天領(lǐng)域的高端技術(shù)水平。在主飛控液壓作動器試驗臺設(shè)計制造過程中，系統(tǒng)的關(guān)鍵難點部分在于伺服加載系統(tǒng)的設(shè)計。

液壓伺服系統(tǒng)（又稱隨動系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)）是以液壓動力元件作驅(qū)動裝置所組成的反饋控制系統(tǒng)。液壓伺服系統(tǒng)除具有液壓傳動的所有優(yōu)點外，還具有響應(yīng)速度快、抗負(fù)荷剛性大、控制精度高等顯著特點，所以在諸多領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用[3]。主飛控液壓作動器試驗臺中的伺服系統(tǒng)主要采用電液伺服閥、傳感器并結(jié)合PLC技術(shù)在實驗室中模擬飛行器舵機(jī)所受的空氣氣動力等載荷，完成對飛行控制器的加載控制。

1 系統(tǒng)組成

主飛控液壓作動器試驗臺需要對飛控作動器進(jìn)行氣動力模擬，檢測飛控作動器在工作過程中的性能參數(shù)。伺服控制系統(tǒng)作為該試驗臺的一個重要子部分，主要用于模擬飛機(jī)滑出、起飛、飛行、著陸、滑入全過程的載荷情況，驗證正常工作中作動器的工作情況。伺服加載系統(tǒng)能提供試驗所需加載力為40KN的加載工裝、0-200mm位移以及最大位移速度508mm/s。

主飛控作動器伺服加載系統(tǒng)框圖如圖1所示，由測控子系統(tǒng)、液壓傳動子系統(tǒng)和加載機(jī)構(gòu)等組成。

圖1 液壓加載系統(tǒng)框圖

其中測控子系統(tǒng)采用上、下位機(jī)控制架構(gòu)，工控機(jī)采用華研工控機(jī)，通過組態(tài)軟件與PLC通訊實現(xiàn)控制，PLC作為下位機(jī)直接與主體設(shè)備和測量元件進(jìn)行信號傳輸，實現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)集與控制，PLC擴(kuò)展模塊是加載系統(tǒng)的核心控制單元。

液壓測試系統(tǒng)的主要功能是對泵站提供的液壓源進(jìn)行壓力、流量控制，以滿足作動器的功能和性能測試。液壓系統(tǒng)包含電動球閥、供油過濾器、回油過濾器、減壓閥、比例減壓閥、比例節(jié)流閥、蓄能器、針閥、球閥、氣動增壓閥、電磁換向閥、單向閥、背壓閥、邏輯閥、流量計、壓力傳感器、溫度傳感器液壓管路以及安裝附件等組成。

2 位置伺服系統(tǒng)加載原理

加載平臺采用碳鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，相關(guān)連接支架及零部件采用304不銹鋼，運動部件連接有重型直線導(dǎo)軌，下方通過加載作動器對被測件進(jìn)行力加載，運動部件連接有位移/速度傳感器，被測件和工裝夾具可以實現(xiàn)快速連接和斷開。加載平臺如圖2所示。

圖2 加載平臺

整個裝置對加載系統(tǒng)起到一定的保護(hù)作用，防止被測件撞擊到液壓缸底部。過渡裝置需滿足作動器安裝的連接剛度要求，且平行度滿足4級要求，加載時，與作動器受力的同軸度滿足6級要求。被測作動器與過渡裝置之間，通過B型開口銷連接，能輕松實現(xiàn)兩者的連接與斷開。

加載系統(tǒng)用于對被測件進(jìn)油、回油進(jìn)行液壓加載，測量相關(guān)的壓力、流量、溫度等流體參數(shù)，同時也會施加外力（拉/壓力）對被測件的最大輸出力、位移、速度進(jìn)行檢測。液壓測試油路滿足參數(shù)，額定供油壓力（3000±50）psi，回油壓力（60±5）psi，耐壓值5000psi，工作流量0-10gpm。

為實現(xiàn)精確控制，被測件拉壓力加載過程中，加載液壓油通過系統(tǒng)液壓油泵供給，經(jīng)過壓力過濾器過濾，采用力傳感器做反饋，再經(jīng)過減壓閥進(jìn)行穩(wěn)壓后，送給伺服閥，伺服閥做控制，構(gòu)成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對伺服缸的柱塞行程進(jìn)行控制，最終達(dá)到加載目的。加載系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 加載系統(tǒng)參數(shù)

3 位置伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 液壓子系統(tǒng)設(shè)計

（1）液壓缸。為滿足該系統(tǒng)動態(tài)加載性能要求，加載缸壓力按19MPa設(shè)計。依據(jù)液壓缸計算公式[4]：

式中：L表示拉力；F表示推力；P為液壓缸工作腔壓力，單位：MPa；D1為液壓缸缸徑，單位：mm；D2代表液壓缸桿徑，單位：mm。加載系統(tǒng)最大推力為5.9T，最大拉力為4.8T，計算得缸徑63mm，桿徑28mm，工作行程為300mm的液壓缸滿足條件。伺服加載缸性能參數(shù)如表2所示。

表2 伺服加載缸性能參數(shù)

（2）伺服閥。由于主飛控液壓作動器試驗臺對加載系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，選用的伺服閥需具備快速響應(yīng)特性。計算過程如下[4]：

液壓馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速：

基于空間外差技術(shù)的大氣高光譜探測是目前國內(nèi)外研究的熱點，對該光譜儀所獲取的干涉圖數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜復(fù)原是應(yīng)用的必要環(huán)節(jié).針對傳統(tǒng)傅里葉變換在空間外差干涉圖光譜復(fù)原中的缺陷，將MUSIC算法應(yīng)用于干涉圖光譜復(fù)原處理.采用CAT準(zhǔn)則對影響算法譜估計效果的維數(shù)p進(jìn)行測試，扣除維數(shù)偏差后，能達(dá)到自適應(yīng)定維且MUSIC算法譜復(fù)原效果良好.測試結(jié)果表明：采用改進(jìn)CAT準(zhǔn)則定維的MUSIC算法對空間外差光譜進(jìn)行光譜復(fù)原，提高了信噪比和光譜復(fù)原效果.此外該方法影響參數(shù)少，便于實現(xiàn)，與傳統(tǒng)光譜復(fù)原方法相比，MUSIC算法對于空間外差光譜信號提取具有獨特優(yōu)勢.

式中：Vmax表示工作臺最大速度。

負(fù)載流量：

式中：Qm表示液壓馬達(dá)排量。根據(jù)被測件的工作特性，查手冊可知工作臺最大速度可選擇508mm/s進(jìn)行計算選型。

根據(jù)負(fù)載流量和伺服閥負(fù)載壓降，查手冊得額定流量150L/min的閥門可滿足要求，故伺服閥選用PARKER的D3F3，最大流量150L/min，額定壓力3.5Mpa，無桿腔流量Q1=95L/min，有桿腔流量Q2=76.3L/min。伺服閥參數(shù)如表3所示。

表3 伺服閥性能參數(shù)

（3）液壓管道設(shè)計?？紤]到試驗臺工藝特點以及流量要求，在伺服加載系統(tǒng)中需對相關(guān)管路進(jìn)行設(shè)計選型。

在加載系統(tǒng)中，要對測試回路管道內(nèi)徑以及金屬管管子壁厚度進(jìn)行計算選型，由公式可得：

本系統(tǒng)按照單回路60L/min流量進(jìn)行設(shè)計。d為管道內(nèi)徑；Qv為系統(tǒng)流量；v為流速，壓力管路6m/s，回油管路1.5-3m/s；P表示系統(tǒng)工作壓力；表示許用應(yīng)力，對于鋼管，（-抗拉強(qiáng)度MPa，S-安全系數(shù)，P＜7MPa時，S=8；當(dāng)P≤17.5MPa時，S=6；當(dāng)P＞17.5MPa時，S=4）。根據(jù)計算可得液壓管路各參數(shù)如表4所示。

表4 液壓管路參數(shù)

3.2 伺服加載系統(tǒng)電氣控制

根據(jù)主飛控液壓作動器測試臺的設(shè)計技術(shù)要求，測試臺的電氣系統(tǒng)由上位機(jī)顯示平臺、傳感器信號檢測及調(diào)理、電源給定與檢測、控制信號給定、伺服控制回路以及絕緣電阻及搭接電阻測試等共同組成。

本文僅對系統(tǒng)的伺服控制回路的電氣回路進(jìn)行介紹。伺服加載控制回路主要由UPS電源、工控機(jī)、PLC可編程控制器及擴(kuò)展模塊、拉壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器等組成，可以完成對液壓作動器的加載控制功能。系統(tǒng)選擇美國DELTA伺服加載控制器配合電液伺服閥、拉壓力傳感器及位移傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。PLC及其模擬量擴(kuò)展模塊是模擬試驗裝置控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)加載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、濾波、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動輸出以及與工控機(jī)進(jìn)行通訊[5]。PLC采用西門子S7-1200可編程控制器及其擴(kuò)展模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制比例閥、系統(tǒng)傳感器信號監(jiān)控保護(hù)及相關(guān)閥門控制。

本系統(tǒng)選用NI數(shù)字輸出板卡PCI-6509作為數(shù)字量I/O設(shè)備，該板卡具備96個數(shù)字通道，工作電壓為5V，可同時滿足TTL電流控制器件電路和CMOS電壓控制器件電路要求，單通道最大電流24mA。PCI-6509數(shù)字I/O設(shè)備可以直接驅(qū)動外部數(shù)字設(shè)備，每個端口可配置為輸入或輸出，并且輸出不需要外接電源[6]?？删幊踢壿嬁刂破魃想姞顟B(tài)功能可讓用戶使用軟件來配置初始輸出狀態(tài)，以確保在連接到工業(yè)執(zhí)行器時實現(xiàn)無障礙的安全操作。

西門子S7-1200可編程邏輯控制器實現(xiàn)控制及保護(hù)功能可搭配其模擬量擴(kuò)展模塊及數(shù)字量擴(kuò)展模塊。該控制器的主要功能是控制液壓系統(tǒng)的流量壓力調(diào)節(jié)閥，并對系統(tǒng)的壓力、溫度、液位、閥門狀態(tài)、油濾堵塞信號進(jìn)行監(jiān)控，加載過程中若對應(yīng)信號超出保護(hù)限定值后，發(fā)出報警信號并執(zhí)行預(yù)置的保護(hù)措施，及時停止加載。

加載回路工作原理：PLC用于對位移和加載值進(jìn)行控制，操作者通過上位機(jī)操作界面選擇測試項目，伺服控制回路輸出給定的信號，控制PLC在加載過程中實現(xiàn)對作動器的位移、載荷控制，上位機(jī)采用LABVIEW開發(fā)，通過閉環(huán)控制使加載系統(tǒng)滿足實時性要求，加載系統(tǒng)分為三種模式：位移控制模式、伺服加載模式以及卸載模式。位移控制模塊可控制作動器實現(xiàn)前進(jìn)和后退操作，模擬作動器在工作過程中的運動情況；伺服加載模式可對作動器進(jìn)行加壓操作，模擬作動器在飛機(jī)飛行過程中所受的氣動力影響，在加載過程中作動器表現(xiàn)為位移保持狀態(tài)；卸載模式是當(dāng)PLC接收到信號由加載模式轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰颇Ｊ綍r系統(tǒng)可實現(xiàn)自動卸載，從而完成一次加載操作。

伺服加載系統(tǒng)中的伺服控制回路具有兩路伺服電流輸出控制功能，可以設(shè)定伺服電流值、零偏、伺服電流增益等，具備伺服電流反饋檢測和補(bǔ)償?shù)裙δ?，同時具備輸出電流放大能力。

3.3 作動器加載試驗

位置伺服控制系統(tǒng)主要用于作動器動態(tài)性能模擬試驗，通過模式選擇功能模擬作動器在正常工作中的載荷情況。

對作動器選擇閥進(jìn)行測試時，由測試臺的液壓回路提供給被測件液壓壓力，同時壓力傳感器會監(jiān)控實際提供的壓力（如3000±50psi），如果監(jiān)控到壓力不在要求的范圍內(nèi)就會提示報警。測試程序通過PCI-6703板卡輸出正負(fù)電壓，通過伺服控制回路將正負(fù)電壓轉(zhuǎn)化成正負(fù)驅(qū)動電流提供給被測件。模式選擇閥通斷電由工控機(jī)通過板卡的離散輸出通道控制電氣回路中的開關(guān)來實現(xiàn)。

執(zhí)行位移模式時，開啟模式選擇閥門作動器正常工作的工作狀態(tài)為可跟隨頻率0.1Hz，振幅0.25inch的正弦波指令運動。作動器可按指令循環(huán)往復(fù)運動，如圖3所示。

圖3 作動器正常工作曲線

若改變模式選擇閥狀態(tài)，由位移模式轉(zhuǎn)換為阻尼加載模式，觀察作動器的運動情況如圖4所示。此時作動器處于位移保持狀態(tài)，伺服電壓激勵液壓加載回路對作動器加載，模擬飛機(jī)實際載荷情況。

圖4 作動器加載曲線

當(dāng)模式選擇閥位于阻尼加載模式時，液壓油以低于100psi/sec的速度緩慢升高系統(tǒng)的進(jìn)油壓力，記錄當(dāng)作動器由靜止到開始運動時系統(tǒng)的供油壓力，該供油壓力為作動器啟動的啟動壓力。 伺服系統(tǒng)由位移模式下轉(zhuǎn)變?yōu)樽枘峒虞d模式時，以低于100psi/sec的速度緩慢降低系統(tǒng)進(jìn)油壓力，記錄當(dāng)作動器停止運動，即作動器由主動模態(tài)轉(zhuǎn)換至阻尼模態(tài)時系統(tǒng)的供油壓力值。模式轉(zhuǎn)換曲線如圖5所示。

圖5 模式選擇切換曲線

液壓作動器在加載狀態(tài)和位移狀態(tài)下，執(zhí)行轉(zhuǎn)換壓力測試時，壓力的調(diào)節(jié)通過測試程序控制液壓回路中的比例閥來實現(xiàn)，停止運動和開始運動的判斷通過讀取位移傳感器的位移來實現(xiàn)。壓力和位移兩路信號通過PCI-6255送入計算機(jī)，通過采集數(shù)據(jù)波形的形式對壓力和位移進(jìn)行記錄，再通過軟件自動判斷停止運動和開始運動時的壓力。從模式選擇切換曲線可看出，模式轉(zhuǎn)換的啟動壓力值誤差較小，在模式轉(zhuǎn)換過程中，液壓油油壓差系統(tǒng)誤差在0.3%范圍內(nèi)，作動器在各工作狀態(tài)下均能良好工作，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文在基于主飛控液壓作動器試驗臺設(shè)計的基礎(chǔ)上，對試驗臺中的位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計了一種由控制單元、加載單元、液壓泵站和傳感器共同組成的伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)在飛控作動器試驗臺上進(jìn)行了真實模擬飛機(jī)工作狀態(tài)的應(yīng)用，可對作動器進(jìn)行正弦激勵加載，加載后的控制精度誤差可小于0.3%，滿足試驗臺設(shè)計的要求。整個加載過程穩(wěn)定可靠，無激增、振蕩等現(xiàn)象發(fā)生，加載之后的作動器能保持在相對應(yīng)位置，可以驗證在此情況下作動器的工作狀態(tài)正常，符合正常工作時的動態(tài)性能。主飛控液壓作動器位置伺服系統(tǒng)適用于對作動器的穩(wěn)態(tài)性能及動態(tài)性能檢測，且工作可靠性高，滿足伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求。