位置扰动施力系统中电液伺服阀非线性因素研究

　　0 前言

　　在力伺服系统中,位置扰动型施力系统是重要的一类施力系统。位置扰动型施力系统是指在施力过程中,受力对象的位置相对于施力机构有显著变化,而这种变化正是受力对象所要求的^[1]。飞行模拟器中的负载模拟器(操纵负荷加载力伺服系统)便是一种典型的位置扰动型施力系统,它要求施力系统根据被加载对象(驾驶杆)位移的大小给驾驶杆施加相应的力。

　　位置扰动型电液施力伺服系统本质上是非线性系统,分析伺服阀的非线性特性,建立系统的复杂数学模型是十分必要的。本文对操纵负荷系统中的电液伺服阀非线性特性进行了分析,将伺服阀的非线性负载流量方程引入,同时将其传递函数视作惯性环节来处理,建立了操纵负荷系统的复杂数学模型,并在计算机上进行了仿真。获取的结果表明,电液伺服阀是位置扰动型电液施力伺服系统中主要的非线性因素,在建立系统的数学模型过程时考虑其非线性特性是非常必要的;同时仿真结果表明根据结构不变性原理进行前馈补偿可以有效消除由于位置扰动而产生的多余力,但不能解决非线性因素带来的跟踪误差。

　　1 位置扰动型电液伺服施力系统的模型建立

　　1.1 工作原理^[2]

　　操纵负荷系统的工作原理:系统首先检测驾驶盘(或脚蹬)的位移,并根据飞机的飞行状态及操作模式,实时计算应施加在驾驶盘(或脚蹬)上的力,即模型力,也就是驾驶员操纵驾驶盘(或脚蹬)时所感受到的力,将其转换为电压信号,经过校正调理之后,输入给伺服阀,然后控制施力机构向驾驶盘(或脚蹬)施力,同时检测模型力与实测力的差值,继续校正力的大小,也就是所施加的力要精确跟踪模型力。并且操纵系统还要根据驾驶盘的位置,实时解算舵面偏角的数值。

　　1.2 系统数学模型的建立^[3]

　　(1)考虑存在的间隙(机械)、弹性等因素,忽略摩擦力和阻尼,可列出如下的运动方程式:

　　式中:m为被加载对象的折算质量; K_s为弹性系数;y_f为被加载对象的位移; y为加载液压缸活塞杆位移; F为位置系统的操纵力,加载函数; F₀为力函数(计算机给出的指令信号)。

　　对上面的方程式进行拉式变换并联立,得:

　　(2)伺服阀的非线性负载流量方程:

　　式中:Q_l为负载流量, C_d为流量系数, W为窗口梯度,x为阀芯窗口开度, p_s为额定压力, p_l为负载压力。