液壓伺服作動器與電動作動器性能仿真分析

鄧 歡，韓占朋，黃勇強，楊振聲，邰瑞雪

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

目前三代飛機的作動系統(tǒng)都是通過液壓驅(qū)動，隨著飛機技術(shù)的發(fā)展，特別是軍用飛機對液壓系統(tǒng)提出了較高的要求，未來全電飛機將采用新型的電動作動器。傳統(tǒng)方法設(shè)計飛機的作動系統(tǒng)主要是通過設(shè)計者的經(jīng)驗和計算報告，再通過實驗來驗證計算結(jié)果，這種方法設(shè)計周期長、驗證成本高。隨著計算機仿真技術(shù)的進步，在系統(tǒng)設(shè)計中使用仿真軟件對系統(tǒng)進行動態(tài)特性的仿真，在計算機上進行試驗驗證，參考物理系統(tǒng)的各個工作狀態(tài)，從而設(shè)置最佳的匹配參數(shù)，這樣就可以在實物制造前避免設(shè)計缺陷。仿真設(shè)計方法設(shè)計周期短、設(shè)計成本低，已在飛機設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。本文主要通過仿真分析液壓作動器和電動作動器在性能方面的不同特點。

飛機伺服作動系統(tǒng)是飛機的重要系統(tǒng)，它直接驅(qū)動飛機各個舵面的偏轉(zhuǎn)，而作動器是作動系統(tǒng)的關(guān)鍵，作動器的性能直接影響到飛機的性能。本文使用Simens公司的AMESim仿真平臺針對液壓作動器和電動作動器進行建模仿真，對作動系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，并分析仿真結(jié)果，為飛機作動系統(tǒng)設(shè)計及分析提供參考。

1 AMESim平臺介紹

AMESim仿真平臺是1995年推出的多學(xué)科物理建模平臺，該軟件使用圖形化的建模開發(fā)環(huán)境，為流體、機械、控制、電氣、磁等工程提供了完善的聯(lián)合仿真解決方案。首先，該軟件提供了豐富的元件模型庫，工程師可通過元件庫按照系統(tǒng)原理搭建理想的物理模型，同時還可以根據(jù)實際的工況考慮溫度、能量損耗、電壓降低等因素對系統(tǒng)的影響搭建較精準的物理模型。圖形化的建模方案不需要推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，可以節(jié)省工程師數(shù)學(xué)建模所花費的時間，使工程師專注于系統(tǒng)的設(shè)計。其次，AMESim的智能求解器能夠根據(jù)工程師搭建的模型自動選擇最優(yōu)算法，同時該軟件具有穩(wěn)態(tài)仿真、動態(tài)仿真、批處理仿真、間斷連續(xù)仿真等多種仿真方式，并根據(jù)不同仿真時刻動態(tài)的切換積分算法和調(diào)節(jié)積分步長以縮短仿真時間和提高仿真精度。最后，AMESim提供了規(guī)范化和圖形化的二次開發(fā)平臺，可以使用C語言開發(fā)自定義模型并以圖形化的方式加入模型庫中，除此之外，它還提供了豐富的軟件接口，能與Matlab/Simulink，Adams等軟件進行聯(lián)合仿真。

2 AMESim仿真平臺應(yīng)用于飛機的作動系統(tǒng)

2.1 飛機作動系統(tǒng)的原理

飛機的作動系統(tǒng)就是將飛行員的指令通過控制器輸出到作動器，作動器再驅(qū)動舵面偏轉(zhuǎn)。飛機的作動系統(tǒng)是一個閉環(huán)的系統(tǒng)，舵面的位置信號會反饋到輸入端，形成負反饋回路。作動系統(tǒng)一般包括作動器、反饋部件、放大器、舵面等。典型的作動系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 作動系統(tǒng)原理圖

2.2 液壓伺服作動器及作動系統(tǒng)建模

在AMESim軟件的液壓子模型庫中選擇相應(yīng)的元件模型，模型庫中集成有大多數(shù)的標準液壓元件的仿真子模型。同時，系統(tǒng)中的特定元件模型可根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)自行搭建。一般的伺服作動系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 液壓伺服作動系統(tǒng)模型

搭建完成系統(tǒng)仿真模型后，仿真的關(guān)鍵就是模型參數(shù)的設(shè)定。在作動系統(tǒng)中對系統(tǒng)性能起主要作用的參數(shù)為作動器的活塞面積、活塞阻尼系數(shù)、搖臂長度、閥芯位移、流量等，液壓伺服作動器工作原理如圖3所示。

圖3 液壓作動器工作原理圖

液壓作動器的靜態(tài)增益、時間常數(shù)和阻尼比公式為：

其中：F為作動器活塞有效面積，C1為伺服閥閥芯位移為常數(shù)時，輸出流量q對壓差p的偏導(dǎo)數(shù)，C2為液流系數(shù)，KE為液壓管路的彈性系數(shù)，E為液壓油體積彈性模量，f為活塞阻尼系數(shù)，L為搖臂長度，m為負載質(zhì)量，K1為壓差p為常數(shù)時，輸出流量q對閥芯位移的偏導(dǎo)數(shù)。

設(shè)置模型中作動器活塞直徑90mm，阻尼系數(shù)0.8，負載5000kg，管道彈性模量為2xPa，液壓油體積彈性模量1700 MPa等。其他參數(shù)可根據(jù)實際情況進行設(shè)置。

在仿真時間0-2s內(nèi)運行系統(tǒng)仿真，作動器活塞桿跟隨輸入信號的變化如圖4所示，活塞桿加速度圖如圖5所示。

圖4顯示液壓作動器在1-1.5秒之間輸出能跟隨輸入信號，但在1秒附近出現(xiàn)了短暫的超調(diào)，跟隨系統(tǒng)的輸入速度較快。圖5顯示從0.5秒開始，活塞的加速度較快，能快速達到預(yù)設(shè)值，1秒左右出現(xiàn)反向運動即圖4顯示的在1秒左右出現(xiàn)的超調(diào)。仿真結(jié)果與實際工況基本吻合。

2.3 電動作動器及作動系統(tǒng)建模

電動作動器以電力為能源，通常由電動機、測速裝置、位置傳感器和齒輪傳動裝置等組成。使用AMEsim中信號庫、機械庫、電氣庫和電機驅(qū)動庫搭建電動作動系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖4 作動器活塞桿跟隨輸入信號的變化

圖5 活塞桿加速度

圖6 電動作動系統(tǒng)

電機對系統(tǒng)起主要作用的是輸出力矩和轉(zhuǎn)速，同時舵面受到的鉸鏈力矩與電機的參數(shù)要匹配。

圖6為電動作動器在輸入信號的作用下，隨輸入信號變化的情況，可以看出，電動作動器在1s內(nèi)能達到預(yù)設(shè)位置，并能很好的保持。圖7為舵面偏轉(zhuǎn)隨時間變化的曲線，舵面的偏轉(zhuǎn)角度和圖6作動器活塞位移變化規(guī)律一致，與實際工況相符。

圖7 電動作動器活塞位移輸入輸出

3 結(jié)論

AMESim能為工程師提供一個效率高且方法簡單的仿真平臺，圖形化的建模方式避免了公式推導(dǎo)，同時還可以支持多學(xué)科的物理建模，不必使用多個專業(yè)軟件。仿真結(jié)果與實際工況相符。通過對比液壓作動器和電動作動器的性能可以發(fā)現(xiàn)，電動作動器相應(yīng)速度快且穩(wěn)定，不會出現(xiàn)像液壓作動器超調(diào)的現(xiàn)象。電動作動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定。隨著全電飛機技術(shù)的發(fā)展，電動作動器將會廣泛使用在未來的飛機上。