薛 嬋,張艷蕊,陳克勤,趙守軍,趙迎鑫,張春龍
(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所, 北京 100076;2.航天伺服驅(qū)動與傳動技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100076;3.北京凱銳遠(yuǎn)景科技有限公司, 北京 100195)
伺服系統(tǒng)是運(yùn)載火箭核心關(guān)鍵技術(shù)之一,作為飛行控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過擺動發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)推力矢量控制[1]。伺服系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)指令后,需要快速響應(yīng),完成運(yùn)載火箭的姿態(tài)和方向控制,達(dá)到火箭穩(wěn)定飛行的目的,伺服系統(tǒng)控制特性對其至關(guān)重要。開展伺服系統(tǒng)控制特性仿真分析,提出針對系統(tǒng)控制特性的優(yōu)化控制策略,是伺服系統(tǒng)研制過程中不可或缺的一項(xiàng)任務(wù)[2],對提高伺服系統(tǒng)工作可靠性,改善動態(tài)特性至關(guān)重要。
近年來,國內(nèi)外航空、航天業(yè)界對基于參數(shù)化的設(shè)計(jì)思想開展仿真技術(shù)的研究高度重視,在研究的同時(shí)取得了一些成果和進(jìn)展[3]。美國Analytical Graphics公司開發(fā)的衛(wèi)星工具包STK作為處理航天任務(wù)分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的商業(yè)軟件,在深空探測任務(wù)設(shè)計(jì)與論證及探測方案仿真與驗(yàn)證過程中,引入了可視化參數(shù)配置技術(shù),有助于總體設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化[4-5]。Matthew[6]設(shè)計(jì)開發(fā)了基于戰(zhàn)斗機(jī)的夜間可視化仿真系統(tǒng),作為武器研制試驗(yàn)階段的校驗(yàn)與分析工具。傅涌峰[7]針對飛機(jī)起落架緩沖系統(tǒng),利用 VC++開發(fā)了快速設(shè)計(jì)系統(tǒng),可以給出總體初步設(shè)計(jì)參數(shù),輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行更高效更準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)工作。Lu等[8]提出了多學(xué)科參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的概念,提高三軸伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真效率。Wang等[9-10]基于Matlab和VC混合編程技術(shù),搭建了無人艇模型預(yù)測航向跟蹤控制仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)可視化。張海瑞等[11]提出一種基于氣動彈道一體參數(shù)化模型的外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,可有效提升飛行器氣動外形設(shè)計(jì)精度和水平。
目前伺服系統(tǒng)控制特性仿真存在一些問題。例如,已有算法分布零散,難于分享、繼承和擴(kuò)展,導(dǎo)致重復(fù)工作多,效率低;工具、流程和方法不統(tǒng)一,模型的形式難以統(tǒng)一,準(zhǔn)確性難以保證;設(shè)計(jì)導(dǎo)航手段不足,型號研制人員無法專注于設(shè)計(jì)開發(fā)工作本身[12]。參數(shù)化技術(shù)可以在建模過程中嵌入專業(yè)知識,逐漸發(fā)展成一種高效的建模方式[13]。對于結(jié)構(gòu)相似而參數(shù)不同的模型,用戶只需要修改設(shè)計(jì)表參數(shù)自動生成新的模型[14]。基礎(chǔ)模型庫技術(shù)能很好適應(yīng)多種設(shè)計(jì)情況,并快速完成重復(fù)性的設(shè)計(jì)工作[15]。
本文開發(fā)滿足運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)控制特性參數(shù)化仿真通用平臺,具有可拓展的規(guī)范化模型庫,可通過模型創(chuàng)建、參數(shù)配置、參數(shù)設(shè)計(jì)與分析、參數(shù)影響分析等模塊開展參數(shù)化仿真分析,通過數(shù)據(jù)處理模塊對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲。應(yīng)用導(dǎo)航式設(shè)計(jì),自動生成模型,開展系統(tǒng)仿真,可快速實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。
運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)控制原理如圖1所示,主要包括電液伺服系統(tǒng)(electro-hydraulic actuators,EH)、機(jī)電伺服系統(tǒng)(electro-mechanical actuators,EMA)和電靜壓伺服系統(tǒng)(electro-hydrostatic actuators,EHA)。
圖1 三型伺服系統(tǒng)控制方案原理示意圖
電液伺服系統(tǒng)通過伺服控制器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制和靜動態(tài)特性補(bǔ)償,生成伺服閥指令電流,伺服閥分配高壓液壓流量至作動器兩腔,實(shí)現(xiàn)搖擺發(fā)動機(jī)運(yùn)動[16]。國內(nèi)外運(yùn)載火箭通常采用此方案,具有輸出功率大、響應(yīng)速度快、可靠性高等特點(diǎn),但核心控制元件伺服閥對污染物較為敏感,且工藝復(fù)雜,成本較高[17]。
機(jī)電伺服系統(tǒng)通過伺服控制驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)位置、速度、電流閉環(huán)控制和靜動態(tài)特性補(bǔ)償,改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速,驅(qū)動滾珠/柱絲杠輸出不同方向和速度的作用力,推動發(fā)動機(jī)噴管擺動實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。該方案完全消除了液壓設(shè)計(jì)和滲漏油隱患,使用維護(hù)性好,但絲杠類執(zhí)行機(jī)構(gòu)冗余設(shè)計(jì)復(fù)雜,且大負(fù)載、大功率能力有限,尚無法滿足一些高可靠應(yīng)用需求[18]。
電靜壓伺服系統(tǒng)控制回路原理與機(jī)電伺服系統(tǒng)基本相同,通過控制伺服電機(jī)泵轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,改變輸出流量大小和方向,實(shí)現(xiàn)速度和位置控制[19]。該方案控制回路采用高效的伺服電機(jī)控制,取消了易發(fā)生污染堵塞故障的伺服閥、大體積液壓油箱和外部液壓導(dǎo)管,使用維護(hù)性顯著提高。執(zhí)行回路采用傳統(tǒng)伺服作動器,通過流量綜合易于實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì),可靠性高。通過高緊湊集成化設(shè)計(jì)和控制策略研究,動態(tài)特性可滿足我國運(yùn)載火箭應(yīng)用需求[20]。
運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)控制特性仿真效率和準(zhǔn)確性,基于伺服系統(tǒng)控制原理和仿真分析流程,利用Matlab/Simulink開發(fā)參數(shù)化通用仿真平臺,基本架構(gòu)如圖2所示?;A(chǔ)模型庫支持算法修改和擴(kuò)展,可滿足EH、EHA、EMA 3種伺服系統(tǒng)建模需求,包含控制模型建立、參數(shù)配置、參數(shù)設(shè)計(jì)與分析、仿真驗(yàn)證、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié),采用導(dǎo)航式設(shè)計(jì),通過調(diào)用模型庫和控制架構(gòu)可自動生成控制模型,快速開展系統(tǒng)仿真分析和控制參數(shù)設(shè)計(jì)。此外具有多個(gè)功能擴(kuò)展接口,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、報(bào)告生成和功能擴(kuò)展。
圖2 通用仿真平臺基本架構(gòu)框圖
伺服系統(tǒng)控制特性參數(shù)通用仿真平臺基礎(chǔ)模型庫組成如圖3所示,包括三型伺服系統(tǒng)控制特性仿真各環(huán)節(jié)基礎(chǔ)模型,如控制信號、控制算法、伺服閥、液壓泵、伺服電機(jī)、伺服作動器、負(fù)載效應(yīng)、負(fù)載特性等。
圖3 模型庫組成示意圖
模型創(chuàng)建時(shí),先定義一個(gè)后綴名為“.slx”的庫文件,拖動一個(gè)子系統(tǒng)模塊,模塊名稱為首字母大寫的英文單詞或詞組。然后在模塊右鍵點(diǎn)擊Look under mask,編輯該模塊具體內(nèi)容,定義模塊封裝好后與外界進(jìn)行信號傳遞的“門”,即輸入、輸出接口。模塊封裝好后,在MASK編輯框中添加模塊參數(shù),編輯相關(guān)模型信息,定義圖標(biāo),對模塊進(jìn)行初始化。最后通過使用子系統(tǒng)創(chuàng)建模型視覺層級或功能層級。模型的創(chuàng)建和封裝如圖4所示,MASK編輯對話框如圖5所示。模型庫實(shí)際應(yīng)用過程中可進(jìn)行不斷擴(kuò)展完善,滿足不同工況、不同產(chǎn)品控制特性仿真需求,同時(shí)實(shí)現(xiàn)規(guī)范化管理。
圖4 模型的創(chuàng)建過程框圖和封裝界面
圖5 MASK編輯對話框界面
為提高模型仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用全因子尋優(yōu)方法對系統(tǒng)各模塊模型進(jìn)行參數(shù)辨識,為參數(shù)化仿真分析提供支撐。以發(fā)動機(jī)負(fù)載特性為例,可以表示為如下形式:
(1)
式中:ωr1、ξr1為發(fā)動機(jī)等效結(jié)構(gòu)主諧振頻率和阻尼比;ωr2、ξr2為發(fā)動機(jī)等效結(jié)構(gòu)次諧振頻率和阻尼比;ωL2、ξL2為分子諧振頻率和阻尼比。
發(fā)動機(jī)負(fù)載特性可由伺服系統(tǒng)頻率特性測試獲得,輸入等幅、由低到高頻率的正弦指令信號,將測量得到的發(fā)動機(jī)角位移輸出與伺服系統(tǒng)線位移輸出進(jìn)行比較運(yùn)算,即可獲取發(fā)動機(jī)的諧振特性。
ωr1、ωr2、ωL2為發(fā)動機(jī)實(shí)測負(fù)載特性曲線的波峰和波谷頻率值,首先以結(jié)構(gòu)阻尼比ξr1、ξr2、ξL23個(gè)參數(shù)為循環(huán)變量,每一個(gè)變量值依據(jù)發(fā)動機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗(yàn)給出一定序列值,自動完成循環(huán)求解,得出不同參數(shù)組合下的頻率特性解。然后以實(shí)測發(fā)動機(jī)負(fù)載特性數(shù)據(jù)幅值為優(yōu)化目標(biāo),制定不同頻率下的幅值容差,對參數(shù)組合進(jìn)行篩選。最后以發(fā)動機(jī)3個(gè)諧振頻率處的最小復(fù)合振幅差作為最終判據(jù),獲取結(jié)構(gòu)阻尼比最優(yōu)參數(shù)。
ΔAL=a·ΔAr1+b·ΔAr2+c·ΔAL2
(2)
式中:ΔAL為最小復(fù)合振幅差;ΔAr1、ΔAr2、ΔAL2分別為ωr1、ωr2、ωL2頻率處的振幅差;a、b、c分別為權(quán)重因子。
參數(shù)化仿真分析基本流程如圖6所示,主要包括模型創(chuàng)建、參數(shù)配置、參數(shù)設(shè)計(jì)與分析、參數(shù)影響分析等。
圖6 參數(shù)化仿真分析基本流程框圖
模型創(chuàng)建模塊首先選擇相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu),仿真平臺自動調(diào)用模型庫生成伺服系統(tǒng)控制特性基礎(chǔ)模型。
參數(shù)配置模塊用于模型各環(huán)節(jié)的參數(shù)化顯示,如控制參數(shù)、作動器參數(shù)、負(fù)載特性參數(shù)等,并可根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對各參數(shù)進(jìn)行配置修改,生成伺服系統(tǒng)控制特性的仿真模型,如圖7所示,仿真模型創(chuàng)建后可保存相應(yīng)配置,后續(xù)仿真分析時(shí)可直接加載,簡化操作。
圖7 仿真模型的參數(shù)界面
參數(shù)設(shè)計(jì)與分析模塊用于進(jìn)行不同控制參數(shù)、不同控制信號下的性能仿真分析,控制器參數(shù)設(shè)置界面可對仿真模型中控制算法相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改,包括比例、積分、微分、陷波、前饋等參數(shù),輸入信號選擇界面可選擇位置、暫態(tài)、頻率等控制信號,更新參數(shù)后進(jìn)行仿真,仿真過程中可選擇查看仿真模型各中間變量和最終輸出結(jié)果,如圖8所示。
圖8 參數(shù)設(shè)計(jì)與分析界面
參數(shù)影響分析模塊是在參數(shù)設(shè)計(jì)與分析基礎(chǔ)上增加控制參數(shù)影響分析,可選擇一項(xiàng)控制參數(shù)或模型參數(shù)設(shè)置變化區(qū)間和間隔,進(jìn)行不同控制信號下仿真分析,對比不同參數(shù)對伺服系統(tǒng)性能的影響,如圖9所示,通過對比不同參數(shù)對伺服系統(tǒng)靜動態(tài)性能影響,可快速得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。
圖9 參數(shù)影響分析界面
參數(shù)設(shè)計(jì)與分析、參數(shù)影響分析模塊均設(shè)置有數(shù)據(jù)處理按鈕,可通過數(shù)據(jù)處理模塊對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲。參數(shù)化仿真平臺通過Matlab編程語言實(shí)現(xiàn)界面、目錄樹等主體程序編制,并在每一個(gè)模塊界面建立交互對象,并為每個(gè)對象編寫相應(yīng)的功能即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入輸出、調(diào)用函數(shù)、顯示圖形、讀寫文件等功能。仿真平臺主界面按電液伺服系統(tǒng)(EH)、電靜壓伺服系統(tǒng)(EHA)、機(jī)電伺服系統(tǒng)(EMA)3種類型分別配置,每個(gè)包含模型創(chuàng)建模塊、參數(shù)配置模塊、參數(shù)設(shè)計(jì)與分析模塊和參數(shù)影響分析模塊,各模塊有獨(dú)立的分析函數(shù),界面和參數(shù)設(shè)置根據(jù)伺服系統(tǒng)類型針對性設(shè)計(jì),方便操作和使用。
數(shù)據(jù)處理模塊用于滿足伺服系統(tǒng)不同控制信號下輸出結(jié)果的處理、分析、存儲等,可根據(jù)仿真模型正弦信號輸入輸出繪制系統(tǒng)位置回環(huán)曲線,分析給出最大擺角、回環(huán)寬度、名義位置增益、線性度、位置對稱度等。可根據(jù)暫態(tài)特性輸入輸出分析給出最大速度。可根據(jù)頻率特性輸入輸出繪制系統(tǒng)Bode圖,給出不同頻率下幅值和相位。此外采用數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)對仿真數(shù)據(jù)的分析、存儲、加載,可對不同工況下仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。頻率特性數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖10所示。
圖10 數(shù)據(jù)處理界面
以某型運(yùn)載火箭電液伺服系統(tǒng)為例,對伺服系統(tǒng)控制特性參數(shù)化通用仿真平臺進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證,建立伺服系統(tǒng)控制特性仿真模型如圖11所示。通過參數(shù)辨識獲取系統(tǒng)控制模型主要參數(shù)如表1所示。
圖11 雙諧振點(diǎn)負(fù)載下電液伺服系統(tǒng)控制特性仿真模型框圖
表1 電液伺服系統(tǒng)控制模型的主要參數(shù)
通過參數(shù)設(shè)計(jì)與分析模塊進(jìn)行幅值2°、頻率0.05 Hz正弦信號仿真分析,結(jié)果如圖12所示。圖12給出該型電液伺服系統(tǒng)在真實(shí)負(fù)載臺工況下的實(shí)測數(shù)據(jù),系統(tǒng)跟蹤誤差小于0.1°,仿真與試驗(yàn)誤差小于2.5%,一致性好。采用幅值0.2°、頻率1~150 rad/s的正弦信號進(jìn)行頻率特性仿真分析,通過數(shù)據(jù)處理模塊繪制Bode圖,結(jié)果如圖13所示。通過與真實(shí)負(fù)載臺工況下的實(shí)測數(shù)據(jù)對比,可以看出低頻段一致性較好,高頻段受負(fù)載模型簡化的影響略有差異,可滿足實(shí)際使用需求。
參數(shù)化影響分析驗(yàn)證對電液伺服系統(tǒng)比例增益參數(shù)在0.8~1.2范圍,間隔0.1進(jìn)行頻率特性仿真分析,結(jié)果對比如圖14所示,可分析不同比例增益參數(shù)對伺服系統(tǒng)幅值和相位的影響,提高伺服系統(tǒng)控制特性參數(shù)優(yōu)化效率。
圖12 電液伺服系統(tǒng)位置特性曲線
圖13 電液伺服系統(tǒng)頻率特性曲線界面
圖14 電液伺服系統(tǒng)控制參數(shù)影響分析結(jié)果界面
以電靜壓伺服系統(tǒng)為例,對伺服系統(tǒng)控制特性參數(shù)化通用仿真平臺進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證,建立伺服系統(tǒng)控制特性仿真模型如圖15所示。通過參數(shù)辨識獲取系統(tǒng)控制模型主要參數(shù)如表2所示。
圖15 雙諧振點(diǎn)負(fù)載下電靜壓伺服系統(tǒng)控制特性仿真模型框圖
表2 電靜壓伺服系統(tǒng)控制模型的主要參數(shù)
通過參數(shù)設(shè)計(jì)與分析模塊進(jìn)行幅值2°、頻率0.05 Hz正弦信號仿真分析,結(jié)果如圖16所示。圖16給出該型電靜壓伺服系統(tǒng)在真實(shí)負(fù)載臺工況下的實(shí)測數(shù)據(jù),系統(tǒng)跟蹤誤差小于0.1°,仿真與試驗(yàn)誤差小于2.3%,一致性好。采用幅值0.2°、頻率1~150 rad/s的正弦信號進(jìn)行頻率特性仿真分析,通過數(shù)據(jù)處理模塊繪制Bode圖,結(jié)果如圖17所示。通過與真實(shí)負(fù)載臺工況下的實(shí)測數(shù)據(jù)對比,可以看出低頻段一致性較好,高頻段受負(fù)載模型簡化的影響略有差異,可滿足實(shí)際使用需求。
圖16 電靜壓伺服系統(tǒng)位置特性曲線
圖17 電靜壓伺服系統(tǒng)頻率特性曲線界面
參數(shù)化影響分析驗(yàn)證電靜壓伺服系統(tǒng)電機(jī)等效阻尼比參數(shù)在0.5~0.9范圍,間隔0.1進(jìn)行頻率特性仿真分析,結(jié)果對比如圖18所示,可分析不同電機(jī)等效阻尼比參數(shù)對電靜壓伺服系統(tǒng)幅值和相位的影響,提高電靜壓伺服系統(tǒng)控制特性參數(shù)優(yōu)化效率。
以某型機(jī)電伺服系統(tǒng)為例,對伺服系統(tǒng)控制特性參數(shù)化通用仿真平臺進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證,建立伺服系統(tǒng)控制特性仿真模型如圖19所示。通過參數(shù)辨識獲取系統(tǒng)控制模型主要參數(shù)如表3所示。
圖18 電靜壓伺服系統(tǒng)控制參數(shù)影響分析界面
圖19 雙諧振點(diǎn)負(fù)載下機(jī)電伺服系統(tǒng)控制特性仿真模型框圖
表3 機(jī)電伺服系統(tǒng)控制模型的主要參數(shù)
續(xù)表(表3)
通過參數(shù)設(shè)計(jì)與分析模塊進(jìn)行幅值2°、頻率0.05 Hz正弦信號仿真分析,結(jié)果如圖20所示。圖20給出該型機(jī)電伺服系統(tǒng)在真實(shí)負(fù)載臺工況下的實(shí)測數(shù)據(jù),系統(tǒng)跟蹤誤差小于0.1°,仿真與試驗(yàn)誤差小于2.4%,一致性好。采用幅值0.2°、頻率1~140 rad/s的正弦信號進(jìn)行頻率特性仿真分析,通過數(shù)據(jù)處理模塊繪制Bode圖,結(jié)果如圖21所示。通過與真實(shí)負(fù)載臺工況下的實(shí)測數(shù)據(jù)對比,可以看出低頻段一致性較好,高頻段受負(fù)載模型簡化的影響略有差異,可滿足實(shí)際使用需求。
圖20 機(jī)電伺服系統(tǒng)位置特性曲線
圖21 機(jī)電伺服系統(tǒng)頻率特性曲線界面
參數(shù)化影響分析驗(yàn)證對機(jī)電伺服系統(tǒng)陷波第一零點(diǎn)阻尼比參數(shù)在0.26~0.30范圍,間隔0.01進(jìn)行頻率特性仿真分析,結(jié)果對比如圖22所示,可分析不同比例增益參數(shù)對伺服系統(tǒng)幅值和相位的影響,提高伺服系統(tǒng)控制特性參數(shù)優(yōu)化效率。
圖22 機(jī)電伺服系統(tǒng)控制參數(shù)影響分析結(jié)果界面
1) 針對運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)控制特性仿真需求,應(yīng)用Matlab編程和界面設(shè)計(jì)技術(shù),開發(fā)了伺服系統(tǒng)控制特性參數(shù)化仿真平臺,包括可拓展的規(guī)范化基礎(chǔ)模型庫,將伺服系統(tǒng)控制回路各組成部分進(jìn)行模塊化封裝,通過模型創(chuàng)建和參數(shù)配置模塊可自動快速生成伺服系統(tǒng)控制特性仿真模型,利用參數(shù)設(shè)計(jì)與分析、參數(shù)影響分析進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證,采用數(shù)據(jù)處理模塊對仿真模型和結(jié)果進(jìn)行處理、分析和存儲。
2) 通用仿真平臺采用導(dǎo)航式設(shè)計(jì),可快速實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)控制特性正向設(shè)計(jì)和仿真分析,經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)一致性好,解決了伺服系統(tǒng)控制特性仿真模型、方法不統(tǒng)一和難以繼承的問題,顯著提高仿真分析效率和準(zhǔn)確性,可推廣應(yīng)用。
3) 后續(xù)基礎(chǔ)模型庫、控制結(jié)構(gòu)等可不斷拓展完善,也可與機(jī)械、電氣、熱學(xué)、力學(xué)等學(xué)科開展基于模型的系統(tǒng)工程正向設(shè)計(jì)研究,提升產(chǎn)品快速研制能力。