六自由度液压伺服运动系统研究.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS F e b ． 2 0l 5 Vo 1 ． 4 3 NO ． 4 D0l 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 3 6 六 自由度液压伺服运动 系统研究 肖志坚，廖峰 中国民航飞行学院模拟 中心 ，四川广汉 6 1 8 3 0 7 摘要介绍了飞行模拟机六 自由度运动系统的结构及组成 ，并对伺服作动筒的液压控制原理和伺服接 口控制进行了详 细论述；针对运动系统的工作特点，分析了液压作动筒安全机制的设定 ，为六 自由度运动系统的进一步研究奠定了基础。 关键词六自由度；液压伺服控制；运动系统 中图分类号T H1 3 7 文献标志码B 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 4 - 1 1 6 - 2 Re s e a r c h o n Si x ． DOF Hyd r a u l i c Se r v o M o ilo n S y s t e m XI A0 Z h i j i a n，L I AO F e n g S i mu l a t o r T r a i n i n g C e n t e r ，C i v i l A v i a t i o n F l i g h t U n i v e r s i t y o f C h i n a ，G u a n g h a n S i c h u a n 6 1 8 3 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s t r u c t u r e a n d c o mp o s i t i o n o f t h e fl i g h t s i mu l a t o r s i x D OF mo t i o n s y s t e m w e r e i n t r o d u c e d ． Hy d r a u l i c s c o n t r o l p r i n c i p i e a n d i n t e r f a c e c o n t r o l me t h o d o f t h e h y d r a u l i c s e r v o a c t u a t o r we r e e x po u nd e d i n de t a i l ． Ac c o r d i ng t o t h e wo r k i n g c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e mo t i o n s y s t e m，s e c u r i t y me c h a n i s ms s e t t i n g o f t h e h y d r a u l i c a c t u a t o r wa s a n a l y z e d ．I t l a y s f o u n d a t i o n f o r f u r t h e r s t u d y a b o u t s i x DO F mo t i o n s y s t e m ． Ke y wo r d s S i x DO F，Hy d r a u l i c s s e r v o c o n t r o l ；Mo t i o n s y s t e m 飞行模拟机是 一个复杂 的实 时仿真系统 ，它 能够模 拟飞机 的各种 飞行状态 ，给 飞行 员提供逼 真的视觉 、听觉 、动感 和力感。飞行 模拟器 液压 伺服运动系统是 一个六 自由度运动平 台，它能够 作绕 空 间 坐 标 3个 轴 的俯 仰 、横 滚 、偏 航 角 运 动 和沿 3轴 的 升降 、横 移 、纵 移直 线运 动 。平 台 有 6套 独 立 的液 压 伺 服 系 统 ，计 算 机 通 过 控 制 6 个作动筒的伸缩 ，来 实现运 动平 台在 6个 自由度 上的运 动 。 1 六 自由度运动系统结构 六 自由度运动系统主要包括 以下部分 万向铰 链下支座 、液压作动 筒 、储 能器 、万 向铰链 上 支座 、 油源 、控制 电缆 以及 运动 控 制计 算 机 ，其 中的运 行 系统基座框 图如图 1所示 。 向铰 链 下支 座 压作 动筒 能器 向铰链 上支 座 图 1 运行系统基座框图 1 ． 1 万向铰 链 支座 组件 每一个万 向铰链 上 、下支座 组件包 括两个 接 头 ， 它与运动平 台的底 部或 地 面相 连 ，平 台可 以在 最 大 偏移包线内自由运动 ，而没有任何机械阻碍。万向铰 链上支座接头的主轴和辅助轴上装有楔形的滚珠轴 承 ，万 向铰链 下 支座 接 头 的主轴 和辅 助 轴上 装有 滚 柱轴承 ，所 有 的轴 承都 被调 整 到在 指定 负载 情 况下 可无 间隙地转动 。 1 ． 2 伺 服作 动 筒组件 ． 运动伺服作动筒是一个活塞杆以及活塞上带有 静压轴承的不对称液缸，6个作动简控制整个运动平 台 6 个 自由度 的运行 。其 中液压作 动筒 的设计 比较 特 别，它包括液压缸、液压管、电液伺服阀、溢流阀、 单 向阀 、节流 阀以及 位移传感器 。 1 ． 3 油 源 油源被设 计 为一 个完 整 独立 的分 系统 ，包括 运 动及油冷却所需的泵、驱动电机、控制装置 、油箱、 相关设备 以及 阀门。运动泵 由一 台 1 1 0 k W 的电机驱 动 ，泵容量可 变并 进行 压力 补偿 。在 系统 压 力为 1 9 MP a 时 ，系统最大流量可 调节 到将 近 4 2 2 L ／ m i n ，连 续 流量 为 2 9 2 L ／ ra i n 。泵 的 最小 额 定 工 作 压 力 为 2 5 M P a 。运动泵从 油箱中吸油。油箱 的人 口和出 口被 隔 开，以更好地散热。高压储能器直接安装在油源上。 正常工作时，泵、控制阀或者其他的液压系统组成部 分不会发生气穴现象 ，阀 门也不会 震颤 。在具体工程 中，油源 的流量和压力根据需要发生改变 。 收稿 E t 期 2 0 1 4 0 1 1 5 作者 简介 肖志坚 1 9 7 8 一 ，男，硕士 ，工程师 ，主要从事飞行仿真和控制工程方面的研究工作 。E - m a i l b a b e d a 1 6 3 ． c o n。 第 4期 肖志坚 等六自由度液压伺服运动系统研究 1 1 7 2伺服作动筒液压控制原理 伺 服作 动筒 液压控制原理图如图 2 所示 ，伺 服作 动筒与系统 压 力油 管相 连 的上 室是 导通 的。油 由下 室 F流人 流出 ，由电液换 向阀控制。当进油液输入压 力大于 1 2 ． 2 MP a时，若 电液换向阀 5不工作 ，此时 该换向阀处于常开位 ，液压油通过节流 阀 6直接 回油 箱；若在计算机控制下 ，换向阀 3 、4工作，电液换 向阀A工作 ，当A P 、B T位连通时，液压油通过点 进入作动筒下室 F ，此时作 动筒伸 长 ；当 A T 、B P位 连通时，作动筒下室 F形成负压，油箱里的液压油通 过节流阀 6回油 ，此时作动筒伸出部分 回缩 。 图2 伺服作动筒液压控制图 在作动筒伸出和缩 回两种偏移极 限时，作动筒 有 7 5 m m的缓 冲行程。在整个作动筒油路控制上 ， 包括带有 故 障显示 功 能 的 电液伺 服 阀 、溢 流 阀 、单 向阀、节流阀等组件。活塞的上下速度 由硬件 限制 到 0 ． 6 8 8 m ／ s ，以防止缓 冲过程 中过载 。 作动筒内部顶端固定着一个磁位移传感器，传感 器的电缆从作动筒活塞杆的上端连接传感器 电路盒。 运动伺服作动筒装有压力传感器以测量作动筒底部的 压力，该压力信号作为安全信号以及作为控制系统的 反馈信号。作动筒还安装了一个微型限位开关来检测 活塞杆的完全缩进位置。在作动筒边上装有连接器 ， 用于伺服阀、压力传感器和位移传感器的电缆铺设。 3 作动简伺服控制原理与安全保护 3 ． 1 作动筒伺服控制原理 作动筒伺服控制工作原理如图 3 所示 飞行模拟 机 主计算机通过采集 飞行操纵等参数 ，计算 出 3 个 方 向的轴 向线加速 度 、角速度 、角加速 度及 3 个姿态 角 等数据，经过浮点运算等一系列复杂的变换，通过滤 波得到能够反映飞行员在飞机座椅上产生 的力及其 他动感信号作为伺服作动筒 的运动驱动信号，驱动 信号再经过 D ／ A转换变成模拟信号输人至作动筒液 压伺服回路，在回路中，信号经过隔离放大、前置滤 波、伺服放大后控制电液伺服阀门的开关量，从而控 制液压油的进出量 ，最终达到控制作动筒的伸缩量。 同时，作动筒 内的传感器也会提供压力及位置反馈 信号，结合控制信号，共同控制电液伺服阀以使作动 筒到达精确 的位置 。 作 动筒 图 3 作动筒伺服控制图 3 ． 2 作动筒安全保护机制 1 位 置检测 及保 护 作动筒数字控制系统 以位置控制为基础 ，当模 拟机运动系统工作时，运动控制计算机通过磁位移 传感器实时采集作动筒的位置信号，然后将作动筒 位置反馈给运动计算机；计算机把作动筒位置的给 定值和实际值进行比较，并将差值发送给控制阀，由 控制阀来调节油量 的进出多少。在作动筒运动的临 界位置安装 了一 个微 型 限位 开关 来 检测 活塞 杆 的完 全缩进位置 ，一旦超 过最 大行程 ，将触发 限位 开关 ， 运动系统立即启动安全保护 ，中断作动筒运行 ，并将 运动平台缓慢放下。 2 压 力检测 及保护 当模拟机运动系统工作时，运动控制计算机采 集作动筒压力传感器信号，当检测到压力传感器超 过最大压力范围时，计算机触发报警系统 ，运动系统 立即启动安全保护 ，运动泵停止工作 ，作动筒泄压， 中断作 动筒运行 ，并将 运动平台放下 。另外 ，液压控 制系统 内装 有 压力 安 全 阀以 防超压 ，运动 泵 的 出 口 处也装有一个安全阀，由电磁线圈控制，若压力传感 下转第 1 2 1页 第4期 冯永保 等 基于 A ME S i m与 MA T L A B的矢量喷管电液伺服系统建模与仿真研究 。1 2 1 运用 P I D控制 器 对 系统进 行 控制 时 首先 需要 设 置准确的 、 和 。在此方案中，根据系统实际 特点对参数进行修正，通过大量的仿真计算选取 ， 最终得到 控制 结果 如 图 1 2所示 。可 以看 出 P I D控 制使系统的响应速度得到很大的提高，从原先的 2 0 多秒缩短到不到 1 秒 。 l 暑 盛 坦 需 l ／ ‘ l 一 输 入 电流 2 一 作 动筒 位移 控制器的 3个参数进行在 m n 0． 1 线自 动 调 整 ， 通 过 0 ． 0 8 桨 制3 鎏 来 实 现 。 为 了 对 比种 控制方 法 的控 制效 果 ，现0 ． 0 0 将其他 2种控 制 方法 的速。 。 ‘。 度曲线与模糊 P I D控制仿 3 ／，， ‘2 1 一输入信号 卜 直接 反 馈 卜 传统PI D 4 一模糊P I D 0 2 4 6 8 1 0 时 间， s 真结 果 绘 制 到 同 一 图 中 ， 图 1 3 几种控制算法效果 控制效果如 图 1 3所示。 。 从图 中可 以看 出 采用 P I D控 制 和模 糊 P I D控 制，伺服系统的控制精度都得到了显著提高 ，尤其 是采用模糊 P I D控制算法时，达到输入信号的 9 5 ％ 系统的响应时间从 2 0多秒提高到不到 0 ． 2 S 。 在工作要求不太高的情况下可以折中采用 P I D控 制来改善系统的控制性能 ，满足控制要求。但喷管伺 服系统要求 具有很高 的快速性和实 时性，采用模 糊P I D 控制对系统控制品质具有明显的提升效果 ，仿真 结果表明模糊 P I D能够满足喷管的实际工作要求。 3结束语 根据矢量喷管电液伺服系统结构特点分析了其 工作原理 ，并建立了双喷嘴挡板 电液伺服阀和喷管 电液伺服系统的 A M E S i m仿真模型。通过仿真验证了 建立的电液伺服阀物理模型是可行的，其阀口开度 能够随着电信号的强弱而改变，使伺服阀的输出流 量与输入 电信号成正 比关 系，模型能够用于文 中喷 管 电液 伺 服 系统 的 研究 。通 过 A M E s i m ／ M A T L A B联 合仿真研究了 P I D算法和模糊 P I D算法对系统控制 性能 的改善效果 。仿真结果表 明 2种算法较直接负反 馈控制 ，系统的性能都有显著提升，对于实时性要求 高的喷管系统来说 ，模糊 P I D控制具有明显的优势。 参考文献 [ 1 ]李 洪人． 液压 控制 系统 [ M] ． 北 京 国防 工业 出版 社 ， 1 9 9 0 ． [ 2 ]李荣． 矢量喷管电液伺服系统的仿真与实验研究[ D] ． 西 安 第二炮兵工程大学， 2 0 1 3 ． [ 3 ]朱学彪 ， 陈奎生． 对于三级电液伺服阀的新型仿真与研 究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 2 9 7 - 9 8 ． [ 4 ]徐鑫． 双喷嘴挡板电液伺服阀建模与仿真研究[ J ] ． 机械 设计与制造 ， 2 0 0 8 4 5 9 - 6 1 ． [ 5 ]陈宏亮 ， 李华聪． 基于 A ME S i m与 Ma t l a b ／ S m i u l i n k联合 仿真技术的电液伺服系统减振研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 6 1 2 1 1 2 3 ． [ 6 ]邢科利， 冯玉， 金侠杰， 等． 基于 A M E S i m ／ M a t l a b的电液 伺服控制系统的仿真研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 4 1 0 5 7-58． [ 7 ]江玲玲， 张俊俊． 基于 A ME S i m与 Ma t l a b ／ S i mu l i n k联合 仿真技术的接 口与应用研究[ J ] ． 机床与液压 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 0 5 1 4 9 ． [ 8 ]田凡． 电液伺服系统模糊 P I D控制仿真与试验研究 [ D ] ． 太原 太原理工 大学 ， 2 0 1 0 ． 上接第 1 1 7页 器损坏， 一旦超压 ， 压力安全阀会 自动泄压 ， 以保障系 统安全运行 。 4结束语 6自由度液压伺服运动系统是飞行模拟机的关键 部件 ， 计算机通过对 6个液压伺服作动筒的控制来实 现飞机俯仰 、 横滚、 偏航 、 升降、 纵 向平移和侧 向平移 的6自由度运动仿真。文中对液压伺服作动筒的工作 和控制原理进行了详细分析， 对 6自由度运动系统的 开发 和应用具有一定 的指 导意义 。 参考文献 [ 1 ]颜旗权． 6自由度飞行模拟器的研究[ D] ． 哈尔滨 哈尔 滨工程大学 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ]陈又军． 现代飞行模拟机技术发展概述[ J ] ． 中国民航飞 行学院学报， 2 0 1 1 ， 2 2 2 2 5 - 2 7 ． [ 3 ]吴东苏． 飞行模拟器运动平台关节空间自适应模糊控制 [ J ] ． 南京航空航天大学学报 ， 2 0 0 8 ， 4 0 5 6 7 0 - 6 7 6 ． [ 4 ]高峰． 六 自由度运动平台伺服系统研究 [ D] ． 武汉 华中 科技大学， 2 0 0 4 ． [ 5 ]廖峰． 六 自由度伺服作动筒及安全保护的研究[ J ] ． 液压 与气 动 ， 2 0 0 9 1 2 3 8 4 0 ． [ 6 ]王辉 ， 陈学森． 飞行模拟器六 自由度运动平台的仿真研 究[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 1 2 ， 3 1 5 7 7 8 - 7 8 2 ． [ 7 ]肖志坚． C J 1 飞行模拟器运动系统与故障分析[ J ] ． 机电 技术 ， 2 0 1 3 ， 3 6 5 8 1 2 ． [ 8 ]Y N T E MA R ． 6 D O F Mo t i o n S y s t e m H S E 一 6 - MS 一 6 0 一 C ． 5 ／ D 『 M] ． Ne t h e r l a n d s ．