三类伺服阀控制电液负载模拟器的研究

　　0 引言

　　电液负载模拟器是典型的被动式电液伺服加载系统,多余力矩的存在严重影响系统的性能,可以从结构和控制策略上对多余力矩加以抑制,其中结构是基础。电液负载模拟器结构相对较简单,电液伺服阀是影响其性能的最关键元件,不同类型和原理的伺服阀用于被动式力伺服系统时会表现出不同特性。本文研究三类伺服阀(流量伺服阀、压力伺服阀、流量-压力伺服阀)在电液负载模拟器中的应用。建立了三类伺服阀控制电液负载模拟器的数学模型,分析了它们加载和克服多余力矩的机理,并进行了仿真分析和实验,为设计和选用被动式电液力伺服系统中的伺服阀,更好地克服多余力矩提供了理论和实践依据。

　　1 电液负载模拟器的数学模型

　　通常,电液负载模拟器结构原理如图1所示。图中左侧为承载对象,即舵机位置伺服系统,右侧为加载系统。两个系统通过连接环节连接在一起,并分别跟踪各自给定信号,进行位置伺服控制和力伺服控制。在整个飞控系统的半实物仿真中,两个系统在中央仿真计算机的控制下同步工作,两个系统耦合在一起,互相作用,互相影响,属于典型的被动式电液伺服加载系统。

　　根据图1、液压动力机构的基本方程及三类伺服阀的传递函数,可以得到流量伺服阀(Q阀)、压力伺服阀(P阀)、流量-压力伺服阀(P-Q阀)控制下电液负载模拟器的输出力矩动态特性方程分别如式(1)、式(2)及式(3)所示,公式推导和参数含义见文献[1]。

　　在式(1)、式(2)及式(3)中,分子均由两项构成,其中第一项为由给定信号产生的输出,第二项为舵机位置扰动产生的多余力矩。

　　2 三类伺服阀加载和克服多余力矩分析

　　从加载机理来看,Q阀一般通过在伺服阀内部采用滑阀阀芯位置反馈闭环控制,使伺服阀阀口输出流量在阀压降一定时比例于伺服阀的控制电流。亦即通过控制电流i来控制负载流量QL的输出,而负载压差pL实际上是作为其干扰。采用Q阀控制加载力矩输出时,因加载马达两腔内、外泄漏系数和液体本身的压缩系数既无法求出准确的理论值,实验中又不能精确测量,因此加载马达两腔的流量与负载压差之间难以建立确定的对应关系,控制电流和实际加载力矩之间不能实现一一对应,只能通过力矩传感器等测量元件的检测信号实现力矩闭环控制,线性度不好。对于P阀,如果不考虑其动态特性及阀口输出流量对控制作用的干扰,此时称之为理想压力伺服阀。理想压力伺服阀的控制电流与负载压差成正比,负载压差不受阀口输出流量的影响。因此,采用理想压力伺服阀控制加载力矩的电液负载模拟器,可以开环、高精度地跟踪加载力矩指令,而不受由强迫流量引起的多余力矩干扰。但理想压力伺服阀是不存在的,实际压力伺服阀同理想压力伺服阀相比还是有区别的:一方面,实际压力伺服阀中存在着动态环节对控制性能的影响,并是简单的比例关系;另一方面,实际压力伺服阀对负载压差的控制作用也受阀口输出流量的干扰,而且这种干扰随着输出流量的增大而增大,这也是实际压力伺服阀与理想压力伺服阀的本质区别。P-Q阀是在滑阀位置反馈式流量伺服阀的基础上,在功率级阀芯上增加了负载压力反馈回路构成的,其特性位于Q阀与P阀之间,稳态时,输出流量及压力与信号电流成比例。由于负载压力的负反馈作用,当负载压力增大时,滑阀开口量减小,输出流量减小,反P-Q阀的压力-流量特性曲线斜率比流量伺服阀大,由流量变化引起的压力变化小于流量伺服阀。由于引入负载压力反馈,增大了流量-压力系数,故可以提高系统的阻尼比,但静态刚度较差,其特别适用于具有大惯性负载、外负载力小和系统中含谐振负载的场合。