施光林 泮 健

上海交通大學(xué),上海,200240

0 引言

飛機(jī)速度的提高和機(jī)翼載荷的增大必然使飛機(jī)起飛和著陸滑跑距離增大,如果要縮短著陸滑跑距離則經(jīng)常要一些專用的減速裝置,常用的減速裝置就是反推力裝置。在軍用方面,反推力裝置在縮短飛機(jī)滑跑距離的同時還大大提高了飛機(jī)的作戰(zhàn)效能。在民用方面,反推力裝置可以對民航建設(shè)產(chǎn)生重大影響。自從采用反推力裝置以來,飛機(jī)的著陸滑跑距離已經(jīng)由3000m縮短到450m以內(nèi)[1]。因此,反推力裝置在民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)中有著十分重要的作用。

在我國某型民用飛機(jī)的研制過程中,反推力裝置必須在模擬氣動載荷下完成測試試驗(yàn),以檢驗(yàn)反推力裝置功能和性能。因此,在液壓系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)中,需配置一套反推力裝置加載系統(tǒng)和相應(yīng)的試驗(yàn)臺架,實(shí)現(xiàn)對反推力裝置在展開和收起過程中所受氣動載荷的模擬;并進(jìn)一步考核反推力裝置的各種性能指標(biāo),為反推力系統(tǒng)及全機(jī)液壓系統(tǒng)的適航符合性提供試驗(yàn)依據(jù)。同時,電液伺服加載系統(tǒng)也是一種使用廣泛的系統(tǒng),國內(nèi)外開展了許多類似的研究[2-3]。王益群等[4]總結(jié)了近年來電液力控制的一些進(jìn)展。王輝等[5]在飛行模擬器操縱負(fù)荷控制系統(tǒng)中,采用位置閉環(huán)控制、速度閉環(huán)控制和力閉環(huán)控制三種方式實(shí)現(xiàn)駕駛員在操縱時的力感覺,取得了理想的效果。Alleyne等[6]提出了一種用于電液伺服系統(tǒng)力控制的簡單方法,很好地補(bǔ)償了系統(tǒng)的參數(shù)不確定性。Nam等[7]基于定量反饋理論設(shè)計(jì)了一種用于氣動載荷加載仿真的力控制器,并通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。

本文介紹了所設(shè)計(jì)的反推力地面模擬試驗(yàn)電液伺服加載系統(tǒng),首先分析了該加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與特點(diǎn),然后敘述了系統(tǒng)的控制策略,最后給出了在終止反推、正常著落和收回三種狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果。

1 加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與特點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的反推力電液伺服加載系統(tǒng)由左右兩套獨(dú)立的反推力臺架和加載系統(tǒng)組成。兩加載臺架共用一套油源,每套系統(tǒng)都采用了同樣的電液伺服閥控制相同的加載伺服液壓缸,并可以在多通道控制器的控制下實(shí)現(xiàn)單通道加載和雙通道同步加載,加載系統(tǒng)由全數(shù)字伺服控制器、電液伺服閥、加載伺服液壓缸、傳感器及多功能安全模塊等組成。為了節(jié)約系統(tǒng)成本,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),加載系統(tǒng)采取集中加載方式。左右反推力臺架的活動平臺各用一個加載伺服液壓缸加載,加載系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

由圖1可知:加載系統(tǒng)采用專用伺服控制器控制,工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控機(jī)的分層控制結(jié)構(gòu);專用伺服控制器實(shí)現(xiàn)電液伺服加載系統(tǒng)的實(shí)時控制;工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主要進(jìn)行系統(tǒng)控制參數(shù)、輸入信號的設(shè)定,以及收集系統(tǒng)的主要控制參量并實(shí)時顯示,以對整個系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控;專用伺服控制器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信。

在液壓元件的選用上,選用了MOOG公司的D661型射流管式兩級大流量電液伺服閥控制Atos公司的CKF型伺服液壓缸,以實(shí)現(xiàn)對氣動載荷的模擬加載。其中,CKF型伺服液壓缸內(nèi)置高精度磁致式位移傳感器,重復(fù)精度為0.005%,線性度為0.03%,速度為1m/s,并帶有前端緩沖裝置。控制器則采用了MOOG公司的MSC3000專用軸伺服控制器,實(shí)現(xiàn)左右兩套電液伺服加載系統(tǒng)的實(shí)時控制。MSC3000專用伺服控制器的最小循環(huán)時間為500μ s,可以實(shí)現(xiàn)電液伺服系統(tǒng)的快速、精確的位移、速度和力控制。

為保證系統(tǒng)能安全可靠地運(yùn)行,采用了多種安全保護(hù)措施。其中,在電液伺服加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,一是在系統(tǒng)入口的旁通路上設(shè)置了電磁溢流閥,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過載保護(hù)作用;二是在伺服液壓缸A腔、B腔的旁通油道上各設(shè)置了一個常開型的電磁球閥,當(dāng)系統(tǒng)失電時,伺服液壓缸A腔、B腔的液壓油經(jīng)各自的常開型電磁球閥直接回油箱,起到對系統(tǒng)的保護(hù)作用,只有當(dāng)常開型的電磁球閥通電后,電液伺服加載系統(tǒng)才可能有效工作,實(shí)現(xiàn)對被加載物體的加載。另外,在左右加載臺架和總控臺上都設(shè)置了應(yīng)急按鈕,確保了在緊急情況下可以迅即使電磁球閥斷電而保護(hù)系統(tǒng)。

2 加載系統(tǒng)控制策略

總體而言,所設(shè)計(jì)的反推力電液伺服加載系統(tǒng)采用了PI加前饋補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?。控制軟件的開發(fā)基于MOOG公司提供的伺服系統(tǒng)專用軟件開發(fā)環(huán)境MSCS。該軟件使用圖形化的編寫方式,能夠盡可能地接近實(shí)際控制系統(tǒng)。同時,該軟件提供可視化開發(fā)工具以及8路示波器通道,方便了系統(tǒng)的調(diào)試。控制系統(tǒng)界面如圖2所示。

系統(tǒng)工作時,左右反推力臺架的活動平臺首先由各自的4個反推力液壓缸產(chǎn)生推力,使其快速打開;同時,加載伺服控制器根據(jù)活動平臺的位移查詢當(dāng)前所需的理論加載力,并根據(jù)理論加載力與力傳感器所測得的實(shí)際加載力的差值來調(diào)整電液伺服閥的開度,從而使實(shí)際加載力等于理論加載力數(shù)值。電液伺服加載系統(tǒng)的控制原理框圖見圖3。

MSCS中提供了標(biāo)準(zhǔn)的 PID模塊以及最常用的基本模塊,方便了使用者構(gòu)建控制系統(tǒng)。對于其他一些特殊的模塊,MSCS支持以結(jié)構(gòu)文本的形式開發(fā)專用模塊。對于所設(shè)計(jì)的加載系統(tǒng),需要另行開發(fā)的模塊有變增益模塊、開閉環(huán)切換模塊、工況選擇模塊、前饋補(bǔ)償模塊等。

變增益模塊主要用于系統(tǒng)加載后期的“剎車”,以避免活動平臺在行程終點(diǎn)撞擊臺架。這是由于反推力系統(tǒng)整個加載過程最短只有1.3s,而活動平臺等的質(zhì)量很大,這就導(dǎo)致了加載末期的沖擊現(xiàn)象。另外,為了使系統(tǒng)在基本完成加載任務(wù)的同時盡量避免大載荷的沖擊,在控制策略的設(shè)計(jì)上采用了在末端位移處減小控制器比例系數(shù)的方法。

開閉環(huán)切換模塊在系統(tǒng)不加載的時候給電液伺服閥一個初始化信號,使電液伺服閥工作在一個確定的零位。工況選擇模塊用于各種工況的切換選擇。

根據(jù)加載要求,反推力功能試驗(yàn)有三種工況:正常加載、終止反推加載以及返回加載。各種工況的加載曲線差別很大,所以各自的控制參數(shù)都不同,這就需要一個專用模塊來管理這些零散的參數(shù)。有了工況選擇模塊后,使用者只需選擇相應(yīng)的工況,系統(tǒng)就能自動完成參數(shù)切換。

前饋補(bǔ)償模塊在整個加載過程中根據(jù)位移提供不同的前饋補(bǔ)償,從而使得加載曲線很好地跟蹤了理論曲線,特別是在拐點(diǎn)的跟蹤上取得了很好的效果。

3 加載系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)反推力功能試驗(yàn)的要求,加載工況總共有正常展開、終止反推和返回三種模式。下面分別介紹加載試驗(yàn)結(jié)果。

3.1 正常展開模式

在反推力系統(tǒng)正常展開過程中,加載系統(tǒng)的壓力為 20.6MPa,加載曲線的最大力值為18 808N,加載的結(jié)果如圖4所示。實(shí)際加載力與理想力之間的誤差百分比曲線見圖5,圖中間的兩條粗實(shí)線表示±15%的誤差帶,兩條點(diǎn)劃線表示±5%的誤差帶。

從圖4、圖5可以看出,實(shí)際加載力較好地跟蹤了理想力,滿足加載動態(tài)誤差不大于15%的要求,而且大多數(shù)情況下的動態(tài)誤差都小于5%。加載曲線末端加載力突然減小的情況正是所謂的“剎車”現(xiàn)象帶來的效果。它使得加載過程能平穩(wěn)地結(jié)束,從而有效地保護(hù)了系統(tǒng)。

3.2 終止起飛模式

在反推力系統(tǒng)正常展開過程中,加載系統(tǒng)的壓力為 20.6MPa,加載曲線的最大力值為35 407N,加載的結(jié)果如圖6所示。實(shí)際加載力與理想力之間的誤差百分比曲線見圖7。

從圖6、圖7可以看出,實(shí)際加載力也較好地跟蹤了理想力,滿足加載動態(tài)誤差不大于15%的要求。誤差百分比曲線上起始點(diǎn)的尖峰是由于加載曲線過零點(diǎn)造成的。

3.3 返回加載模式

在反推力系統(tǒng)返回過程中,加載系統(tǒng)的壓力為10MPa,加載曲線的力值為837N,加載的結(jié)果如圖8所示。實(shí)際加載力與理想力之間的誤差百分比曲線見圖9。

從圖8、圖9可以看出,加載系統(tǒng)在大部分工作過程中完成了跟蹤理論加載曲線的任務(wù),滿足了動態(tài)誤差不大于15%的要求。

4 結(jié)束語

本文在所設(shè)計(jì)的反推力電液伺服加載系統(tǒng)的控制中,使用PI加前饋補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?根據(jù)系統(tǒng)的跟隨曲線,不斷地修正前饋補(bǔ)償量,保證了較好的力跟蹤加載的要求。由于本次加載的力比較大,為了保護(hù)系統(tǒng),特別在控制算法中加入了“剎車”模塊。雖然犧牲了系統(tǒng)最后段的曲線要求,但是很好地保護(hù)了系統(tǒng),使得每次加載總能平穩(wěn)地結(jié)束。通過反復(fù)試驗(yàn)與控制器參數(shù)的調(diào)整,所設(shè)計(jì)的飛機(jī)反推力電液伺服加載系統(tǒng)滿足了所要求的動態(tài)力加載誤差不大于15%的要求,而且在曲線形式上也盡量與理論曲線保持了一致,表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的。

[1]靳寶林,邢偉紅,劉殿春.飛機(jī)/發(fā)動機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)反推力裝置[J].航空發(fā)動機(jī),2004,30(2):48-57.

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