飞机液压助力器模型分析.pdf

2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 4 V0 1 ． 4 2 No ． 7 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 3 7 飞机液压助力器模型分析 周华刚，曹春泉，余慧玲 中航通飞研 究院有限公 司系统研究室，广 东珠海 5 1 9 0 4 0 摘要针对国内某型号飞机液压助力器 一操纵面系统的稳定性和跟随性问题 ，借鉴和参考了现有文献中提供的线性化 研究方法，构建了助力器非线性仿真模型 ，并进行仿真。结果表明现有文献中提供的线性化模型不足以用于助力器系统 的设计，非线性模型更能反映系统的真实机构情况 ；在条件许可时应同时建立助力器支撑座及操纵面的弹性模型。研究结 果为助力器及系统的设计提供了参考。 关键词液压助力器；线性模型 ；非线性模型 ；飞机 中图分类号V 2 4 9 ． 1 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 71 3 7 4 Ana l y s i s o f Hy d r a ul i c Bo o s t e r M o de l f o r Ai r c r a f t‘ ZHOU Hu a g a n g， CAO Ch un q u a n， YU Hu i l i n g S y s t e m D e p a r t m e n t ，A V I C G e n e r a l A i r c r a f t R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ，L t d ． ， Z h u h a i G u a n g d o n g 5 1 9 0 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t h e s t a b i l i t y a n d f o l l o w i n g p r o b l e ms f o r t h e h y d r a u l i c b o o s t e r c o n t r o l s u r f a c e s s y s t e m i n a n a i r c r a f t ，r e f e r r e d a n d c o n s u l t e d t o t h e l i n e a r r e s e a r c h me t h o d p r o v i d e d b y e x i s t e d a u t h o r i z e d d o c u me n t s ，t h e n o n l i n e ar s i mu l a t i o n mo d e l o f b o o s t e r Wa S b u i h a n d s i mu l a t e d ． T h e r e s u l t s s h o w tha t t h e e x i s t e d l i n e a r mo d e l i s n o t e n o u g h u s i n g for t h e b o o s t e r s y s t e m d e s i g n， w h i l e t h e n o n l i n e ar mo d e l c o me s mo r e n e ar t o t h e r e a l me c h a n i s m c o n d i t i o n o f s y s t e m． W h e n t h e c o n d i t i o n all o we d ， a s u p p o e r for t h e b o o s t e r a n d a n e l a s t i c mo d e l for t h e c o n t r o l s u rfa c e s h o u l d b e b u i l t a t t h e s a me t i me ． T h e r e s e a r c h r e s u l ma k e a r e f e r e n c e for t h e d e s i gn o f t h e b o o s t e r - c o nt r o l s u r f a c e s s y s t e m． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c b o o s t e r ；L i n e a r mo d e l ；No n l i n e a r mo d e l ；Ai r c r aft 现代大型或 陕速飞机由于操纵面载荷的增大 ，普 遍采用液压伺服作动器推动操纵面偏转 ，实现飞机的 姿态控制。全电传无机械备份的飞机，采用的是电液 伺服作动器，该类作动器采用的是内反馈 ，在考虑伺 服系统设计时主要考虑系统 的功率、响应速度等参 数，一般不会出现系统不稳定的情况；而使用机械备 份的电传飞机和使用机械助力系统的飞机，由于使用 的是外反馈的伺服作动器 ，也称助力器 ，总是会 遇到 系统参数不匹配导致的系统稳定性问题。这种不稳定 现象在苏联制 米格 1 9 ，国产 歼 6 、歼 7 、歼 8 、运 8 等飞机上都有出现。这种不稳定会使操纵面在助力器 的推动下产生低频 自激振荡，容易造成附件损坏、接 头松动，直接影响操纵系统的使用寿命和工作可靠 性 ；对飞机则会影响飞行品质 ，严 重时甚 至影响飞机 的飞行安全 。 据了解，国内设计生产的使用液压助力器飞机， 都是先安装了助力器，在试验中发现了不稳定才去考 虑匹配 的问题 ，导致 飞机 的研 制周 期 延 长 、成本 增 加。为此，借鉴国内的研制经验和既有成果 ，构建基 于数字平台的飞机操纵面伺服作动系统仿真模型，以 数字仿真的方法分析影响系统稳定性的主要因素 ，在 伺服作动器制造和装机前完成仿真分析工作，为样件 试制和试验提供初步条件，降低样件设计试验成本。 控制系统的设计，特别是工程应用时通常使用的 都是线性化 的模型 ，而助力器 由于涉及到液压油 的工 作问题，其工作是典型的非线性问题。因此本文作者 针对此系统建立了非线性模型，并分析了线性模型的 不足 。 图 1 是单腔室液压助力器的原理图 。 收稿 日期2 0 1 3 0 31 5 作者简介周华刚 1 9 7 7 一 ，男，工学硕士，高级工程师，研究方向为飞机飞行控制、液压系统设计研究。E ma i l z e n o _mo o n 1 63． c o m。 1 3 8 机床与液压 第 4 2卷 输入 主 滑 阀 副 滑 阀 图 1 1 仿真模型的建立及结果分析 1 ． 1 常 用模 型 单腔式液压助力器原理图 为反馈系数； i为输入信号幅值 ，m； 助力器由四通阀和液压缸组成，是最常见的动力 机构，其动态特性主要取决于伺服阀、液压缸和负载 ， 其简化模型见图2 。在动力机构分析中，假定系统负载 为质量、弹簧和黏性阻尼组成的单 自由度系统 引。 图 2 四通 控 掖 』 盘缸 动 力 机 嗣 滑阀运 动方程 K i i K f f Y 非线性 方程 Q C d W X Q L A d t c 。 p L L A pLF m d t 2 B e 业 d t 线性化方程 Q L K 。 一K 。 P 警 厕 K O Q L c ． w x , ,／ p ． - p 一 ／ p O P L 式 中 为输入系数 输 出 Y 为输出信号幅值 ，m； c 为 流量 系数 ，通 过参 考 资 料 知 其 值 为 0． 61～0 ． 6 2； 为滑阀位移，m； w为滑阀节流窗口面积梯度。若采用整周圆开 口，则 w1 T d ，d为滑阀的直径； P为液压油的密度 ，一般为 8 5 0～ 1 2 0 0 k g ／ m 3 ； P 为液压 源的压力 ； P ． 为液压缸活塞两端压力差 ； 为液体体积弹性模量，P a ，一般取 1 2 2 5～ 1 3 7 2 MPa ； 为一般选用零位条件下的计算值 Q 0 ， 0，P L 0 ； K c为一般使用节流孑 L 来估算 ， ，r 是 阀芯与阀套之间的径向间隙，可取 5 X 1 0～m， 是 液体动力黏度，一般取 I ． 3 7 X 1 0 ～P a s ； c 为总泄漏系数， m 3 ／ s ／ P a ，C 。 C 。 C ／ 2 ； 为液压缸的总液体体积，V t A X L ，L是活 塞 的总行程 ； m为活塞及负载的总质量，k g ； B 为黏性阻尼系数 ，N ／ m ／ s ； 为负载弹簧刚度 ，N ／ m； A为活塞面积 ，i n ； F为负载力 ，N。 1 ． 2线性化 方程 的传 递 函数 线性化方程的传递函数由图 3 求出，可推导出活 塞输出位移与滑阀位移及负载间的关系。 图 3 四通阀控液压缸动力机构方框图 利用频域分析的方法可以判定 K r K 。 ／ A 2 W n 系统才是稳定的 。转换为系统参数就是 、；＼，、 、，、，、， 1 2 3 4 5 6 7 8 ／ ， ／L， ／ ／ ， ， 第 7期 周华刚 等 飞机液压助力器模型分析 1 3 9 K f K 2 。 A B c m 9 即当系统参数满足式 9 时，系统都能达到稳 定 。 当以参数 K i 0 ． 5 ，K f 0 ． 5 ，F1 0 0 0 0 N，K q 0 ． 4 5 m ／ s ／ m，K c 1 ． 71 0 。 i n ／ s ／ P a ，A 1 ． 2 5 X 1 0一 。m ， m 2 5 k g， L 0 ． 1 2 m ， A X L 1 ． 5 X1 0 一m ， 1 2 5 01 0 。 P a ，B 1 0 0 N ／ m ／ s 。 进行仿真时，以阶跃输入信号作为输入时，系统的响 应及部分参数见图 4 。从图中可见活塞两端的压力差 P ． 达到了 6 0 0 M P a ，而系统的最大输人压力才能是 2 0 ． 6 M P a ；系统的流量达到了 1 0 0 0 L ／ ra i n ，这些参数 使系统在 阶跃输入下形 成了稳定 的输 出，但 实际 的助 力系统是不能实现上述的两个参数值的。 时间f ／ s a 输入输出信号 时间t ／ s c 流 量 O ． 0 3 0 ． 0 2 5 0 ． 0 2 目 0 ．0 1 5 越 o ． 0 l 瑙 0 ． 0 0 5 O 时 间f ， s b 活塞 两端 压差 时 间f ， s d 速度 图 4 线性系统在 阶跃输入下 的响应 图5为线性系统在多种频率输入下系统的响应。 0 ． 0 4 5 0． 0 4 0 ． 03 5 O ． O 3 宴 0 ． 0 2 5 j 翌0 ． 0 2 馨 0 ． 0 1 5 O ． 0 l 0 ． 0O 5 0 ．0 ． 0O 5 时间f ／ s a o0 ． 1 r a d ／ s 0 ．0 6 0． 04 目 0 ．0 2 趔0 馨 ．0 ． 0 2 ．0． 04 ．0． 06 ⋯ 输 入信 号 时 间 s c 1 0 r a d ／ s 图5 线性系统在多种频率输入下系统的响应 当输入信号的频率依次从 0 ． 1 r a d ／ s 、1 r a e [ ／ s到 1 0 r a d ／ s 时，系统都能有稳定的输出，仿真结果见图 5 。助力器 一操纵面系统是一个典型的非线性系统 ， 已经证实了助力器只有在一定频率范围内的输入信号 是稳定的，超出该频率范围的输入都不会得到稳定的 输 出 “ 。 上述对线性化模型的仿真 ，从流量、压力和频率 响应情况都说 明了线性化模型并不能真实反应系统的 实 际运行情况 ；因此需要模型进行修正 。 1 ． 3 修 正后 的模 型 式 6 k q 的表达式 已经与 流量 的非 线性表 达 式 2 完全相同，这时线性化的方程 5 却还需 要减去 K c p 。若 K 相对 K 是很小的，则可忽略 不计 ，若不是相对很小的，则线性化的方程与非线性 方程 就有较 大的误差 。 例如系统为 0 ． 0 6 m ／ s 的稳定输出，需要 5 ． 1 4 X 1 0 I n的滑 阀开 度 ，其 中 K q 0 ． 4 5 m ／ s ／ m，K 0 1 ． 5 X 1 0 n l ／ s ／ P a ，代入式 5 ，得 到Q L K q x 一 K P L 一3 ． 0 7 L ／ ra i n 。 但同样的滑 阀开度和同样的负载压差 ，代入式 2 的流量方程为 Q L C d W X ／ P - p L ／ p1 3 ． 8 L ／ ra i n 。 而实际系统需 要流量 是 8 ． 3 3 1 0 ～ 0 ． 0 6 X 61 0 一3 L ／ ra i n 不考虑泄漏 。可以看到同样的参 数，非线性方程和线性化方程的流量差别很大。 为此建 立助力 器输入 腔和输 出腔两者 的方程 ，分 别对两腔的液压参数进行仿真和分析。 滑阀流量方程 Q ， C d W X ／ 2 p 一 P 。 ／ p 1 0 Q C d W X ／ 2 P 2 一 P 0 ／ o 1 1 液压缸 连续性 方程 c p 2 d V l 1 2 一 』 【 c ic p 2 一 C 一 ] 1 3 y , ／ 2 A y 1 4 v t／ 2一 A y 1 5 动力机 构力平衡方程 a p 一 P 2 Fm d t 1 6 各项仿真参数为 Cd0 ． 6 2，P 2 0． 6 MPa，P 0 1 MPa，P 8 7 0 m ／ s ， 1 2 5 0 M P a ，C i。 1 X 1 0 m ／ s ／ P a ， A 41 0一 。I n ， F 3 0 0 0 0 N， 11 0一 i n ， r ／ 4 0 0 lI l 1 4 0 机床与液压 第4 2卷 图6为非线性方程仿真结果 ，可以看出，系统的 压差、流量等的变化更能真实反映机构的情况，如压 差变化、流量系数 、流量压力系数等。系统速度稳定 时的流量要求是 2 4在 L ／ m i n ，系统 的泄漏 系数 是 C 1 1 0 m ／ s ／ P a ，在 1 0 M P a的压 差下 ，流 量是 0 ． 0 6 L ／ m i n ，总流量与图 6中的流量仿真结果 2 4 ． 0 7 L ／ m i n 结果一致。这种仿真模型能实时计算流 量系数和流量压力系数，图6中的仿真结果特别是稳 态值与线性化方程的稳定值要求接近。 言 一 R 时 间t ／ s c 流量 压 力系数 3 5 3 0 ．曼 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 籁 咖 毽 图6 非线性方程仿真结果 2结论 通过分别建立进回油腔的仿真模型，对其参数进 行仿真更能反映系统的现实情况。现有的线性化模型 在初期设计时有一定的作用，但不能真实体现助力器 的工作情况，有一定的误导。根据现有的工作经验， 只有建立全系统的非线性及弹性模型，才能真正地对 助力器及系统的设计提供一定 的参考 。 参考文献 【 1 】王 占勇， 祝华远 ， 唐有 才． 飞机液压助力器 的稳定性分 析 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 3 4 1 8 4 8 5 ． 【 2 】陈召涛， 孙秦． 液压助力器动态特性 S i m u l i n k仿真与优化 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 6 1 9 6 9 7 ． 【 3 】杜来林， 郑勇． 影响液压助力器稳定性的因素及改善措施 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 8 4 1 7 1 9 ． 【 4 】吴振顺． 液压控制系统[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 8 ． 5 ． 【 5 】王春行． 液压伺服控制系统 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 7． 【 6 】郭辉， 王平军， 郭涛． 基于 S i m u l i n k的飞机液压助力器建模 与仿真研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 9 2 2 2 2 2 3 ． 【 7 】李培滋 ， 王占林． 飞机液压传动与伺服控制[ M] ． 北京 国防 工业出版社， 1 9 7 9 ． 【 8 1林其昌， 王新洲． 直- 9直升机主液压助力器稳定性分析 [ J j ． 直升机技术． 2 0 0 0 1 3 2 3 8 ． 【 9 】 杨国祯． 飞机流体传动与控制[ D] ． 西安 空军工程学院， 1 9 8 7． 【 l 0 】李永堂， 雷步芳． 液压系统建模与仿真[ M] ． 北京 冶金工 业出版社， 2 0 0 3 ． 【 1 1 】M i n g C h a n g ． T h e A d a p t i v e P o s i t i o n C o n t r o l o f a n E l e c t r o H y d r a u l i c S e r v o C y l i n d e r [ J ] ． J S MM E I n t e rn a t i o n a l J o u r n a l ， 1 9 9 1 3 3 7 03 7 5 ． 【 1 2 】文韬． 某型飞机空中飘摆故障分析及防护措施[ J ] ． 长沙航 空职业技术学院学报 ， 2 0 0 7 2 3 3 3 5 ． 上接第 1 5 1页 同类型参数能有效去除网络冗余数据，节约网络耗 能，准确表征机组的实际状态，为故障识别提供 良好 的数据源。而改进的 D - 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