电传飞机伺服作动系统非线性建模

梁琼花

（洪都航空工业集团,南昌 330024）

0 引 言

在飞机研制过程中，尤其是电传操纵飞机研制时，伺服作动系统作为电传操纵系统的关键子系统，其真实特性往往成为影响稳定储备等控制律设计的重要指标，其刚度特性也是影响飞机颤振特性的重要因素。而作为伺服作动系统主要组成部分的液压作动器是一个复杂的非线性系统，其特性在空载、满载或不同的工作行程点都呈现出不同的特性。在传统的飞机设计流程中，这些特性往往通过建立半物理仿真环境进行地面模拟试验来获得。半物理仿真环境 （也就是通常所说的铁鸟台）除飞控系统实物外，还包括模拟飞机结构的台架、加载系统以及相关的测试设备等。该环境的建设耗费资金多，周期长，尤其是加载系统，目前国内还没有较好的生产厂家，往往都从其它国家进口，花费巨大。如果能建立真实反映伺服作动系统非线性的仿真模型，在飞控系统仿真分析以及颤振特性分析中引入该模型，进行联合仿真分析，并据此进行优化设计，将大大节省研制费用和研制周期。

1 伺服作动系统非线性建模

1.1 电传飞机伺服作动系统组成

电传飞机伺服作动系统一般由作动器和传动机构组成，典型的伺服作动系统组成如图1所示。由于液压系统具有响应快等特点，飞机伺服作动器通常都采用阀控液压缸式的作动器，图2是目前应用最为广泛的直接驱动阀式伺服作动器原理图。

1.2 伺服系统非线性特性及其对系统性能的影响分析

根据电传飞机伺服作动系统的组成特点，其非线性特性主要表现在作动器的非线性以及传动机构的非线性。

直接驱动阀式伺服作动器是典型的阀控缸伺服作动器，这是一个复杂的非线性系统，要对其进行深入的研究，就必须依据其非线性的特性进行较为精确的非线性建模，该系统中比较典型的非线性环节包括DDV阀流量增益的非线性[2]（图3），DDV阀阀芯与作动筒活塞的摩擦非线性，以及DDV阀正开口与负开口时系统产生不同负载压力的分段非线性[2]（图 4）。

图1 伺服作动系统组成

图2 作动器原理图

图3 流量增益曲线

图4 压力流量曲线

传动机构的非线性表现在机构的传动间隙和摩擦等。间隙对系统性能的主要影响有两方面[3]：一是增大了系统的稳态误差，降低了控制精度，这相当于死区的影响；二是使系统过渡过程的振荡加剧，甚至使系统变为不稳定，间隙过大，蓄能过多，将会造成系统自振。摩擦对系统性能的主要影响[3]从静态方面看，相当于在执行机构中引入死区，会增大系统的稳态误差，降低系统的精度；对动态性能的影响则是造成系统低速运动的不平滑。

1.3 伺服系统非线性建模

1.3.1 传动机构非线性建模

在实际的传动机构中，间隙与摩擦的作用往往是交联在一起，不同的摩擦力状态往往使得间隙的表现并不是理想的间隙特征状态，而表现出一种复合的非线性特性，建模时无法精确建模。另外，上述分析可知，间隙对系统性能的影响一方面相当于死区的影响，另一方面会使系统过渡过程的振荡加剧，甚至使系统变为不稳定，而实际情况是，伺服作动系统并未因此而出现不稳定现象，为了避免由于模型原因引起的发散，而非真实的不稳定现象，传动机构建模时，除了真实反映其传动的比例关系外，对于间隙和摩擦特性的影响，本文仅考虑用一个死区特性来模拟。

1.3.2 作动器建模

为了消除无关因素干扰，便于对系统进行更有针对性的研究，作如下建模假设：

1）系统的供油压力保持恒定，忽略液压泵的流量脉动对系统动态特性的影响；

2）油液温度保持不变，因此其密度、弹性模量等温度敏感参数保持不变；

3）DDV阀与作动筒之间的管路足够短，将阀内容腔与作动筒容腔视为一体，忽略由管路特性带来的对系统动态特性的影响；

4）DDV阀的力矩马达是一个理想的惯性环节；

5）作动筒活塞的粘性阻尼力很小，负载力中可忽略这部分的影响。

下面从作动器的负载流量方程[1]、流量连续方程[1]、力平衡方程[1]三个方面来建立数学模型。

首先考虑当DDV阀阀芯向右移动(xv>0)时的情况：作动筒的负载流量方程：

流量连续方程：

力平衡方程：

当DDV阀阀芯向右移动(v＜0)时，只有负载流量方程不同，见式（6）、式（7），流量连续方程和力平衡方程不变。

根据式（1）～式（7）以及传动机构的非线性特性,以某型机平尾伺服作动系统为例，建立Simulink模型(图 5)。

图5 作动器模型

2 仿真分析

分别给系统施加不同幅值阶跃指令，系统位置满载响应曲线如图6所示，试飞试验曲线如图7所示。

图6 舵面仿真阶跃响应曲线

图7 舵面实际阶跃响应曲线

对比分析图6和图7可知，以上述方法建立的伺服作动系统非线性模型能准确反映实物的动态特性。

3 结 语

以某型机平尾伺服系统为例，详细分析了直接驱动阀式作动器伺服系统的非线性特性，建立了精确的非线性模型，用Simulink框图的方法实现，通过设置合适的仿真步长，对其特性进行仿真分析，并与实际试验曲线进行对比可知，利用该方法建立的伺服系统非线性模型能够准确地体现出系统在空载和满载下真实的动态响应特性，可广泛地应用于飞机研制方案阶段的仿真分析及飞控系统特性的后续仿真分析。

[1]王占林．液压伺服控制[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1987：96-97．

[2]施继增．飞行操纵与增强系统[M]．北京：国防工业出版社，2003：166-194．

[3]胡寿松．自动控制原理[M]．北京：国防工业出版社，1994：391-392．

[4]解思适．飞机设计手册 第9册：载荷、强度和刚度[M]．北京：国防工业出版社，2001：1218-1233.