2008年11月第36卷第11期機床與液壓MACHINETOOL&HYDRAULICSNov12008Vol136No111空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)電液伺服作動器設計與研究常同立1,2(11東北林業(yè)大學機電工程學院,哈爾濱150040;21哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院,哈爾濱150001)摘要:針對空間對接半物理仿真系統(tǒng)電液伺服作動器設計問題進行研究,建立了接觸碰撞半物理仿真試驗系統(tǒng)。從分析空間對接半物理仿真系統(tǒng)建構問題和對接機構的特性入手,提出了運動模擬器電液伺服作動器的設計要求。通過對電液伺服作動器動力機構數(shù)學模型展開分析,提出減小電液伺服作動器動態(tài)特性相對負載剛度變化的靈敏度的設計方法,并進行了實驗驗證。關鍵詞:電液伺服作動器;液壓系統(tǒng)設計;空間對接;半物理仿真中圖分類號:V526;H137文獻標識碼:A文章編號:-(2008)-ResearchonElectro2hydraulicServo22the2LoopSimulaing(11CollegeNortheastForestryUniversity,Harbin150040,China;21Engineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Keywords:Electro2hydraulicservoactuator;Hydraulicsystemdesign;On2orbitdocking;HILsimulation20引言空間對接動力學半物理仿真(HILsimulation,Hardware2in2the2Loopsimulation)系統(tǒng)主要用于地面上[1]高精度再現(xiàn)飛行器空間對接的動態(tài)過程,是研究空間飛行器對接動力學的關鍵設備。我國載人航天和探月工程等急需建立半物理仿真系統(tǒng),在地面上開展飛行器空間對接動力學仿真和實驗研究。電液伺服作動器的優(yōu)點是動態(tài)響應速度快、剛度大和驅(qū)動能力大。在用于載人航天空間飛行器對接動力學研究的大型半物理仿真系統(tǒng)中,考慮到對接機構質(zhì)量較大,半物理仿真系統(tǒng)的運動模擬器都采用電液[1,2]伺服控制作動器。在研究航天飛機空間?？坎僮鲃恿W半物理仿真時,文獻[1]對液壓伺服作動器建立了七階動力學模型?？梢婋娨核欧鲃悠鞯膭討B(tài)特性對半物理仿真系統(tǒng)的建構影響非常大。文獻[2]探討了對接機構參數(shù)變化對空間對接半物理仿真的電液伺服作動器的性能影響。針對空間對接動力學半物理仿真應用,本文作者探討了電液伺服作動器的設計問題,并為此建立了接觸碰撞半物理仿真試驗系統(tǒng);分析了該系統(tǒng)對電液伺服作動器的設計要求;推導了電液伺服作動器的設計依據(jù);采用實驗對其效果進行了驗證。1接觸碰撞半物理仿真系統(tǒng)1—力傳感器2—剛性撞擊面3—碰撞彈簧4—Stewart平臺5—液壓作動器圖1單自由度空間對接半物理仿真系統(tǒng)模型飛行器空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)是多輸入收稿日期:2008-06-25作者簡介:常同立(1968—),男,陜西華縣人,博士,設計師,主要從事電液伺服控制、半物理仿真系統(tǒng)建構、空間對接52機床與液壓[5]第36卷多輸出混合系統(tǒng);被試物理硬件具有較強的耦合和非[6]線性,使得在原半物理仿真系統(tǒng)(多輸入多輸出系統(tǒng))上,分析與綜合空間對接動力學半物理仿真[1]系統(tǒng)都是困難的。為了探討空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)的電液伺服作動器的設計問題,本文作者建立了接觸碰撞半物理仿真試驗系統(tǒng),如圖1所示。它是空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)的簡化模型。被仿真對象相應簡化為單自由度飛行器接觸碰撞問題,其模型如圖2所示,它描述了質(zhì)點飛行器模型的接觸碰撞動力學特性。,定義碰撞初始狀態(tài)為追蹤飛行器上的對接機構與目標飛行器發(fā)生接觸,但對接機構尚未受力時,兩飛行器的位置狀態(tài)。x1和x2分別為兩飛行器相對于碰撞初始狀態(tài)的位移。以追蹤飛行器為參照,定義x為目標飛行器相對于追蹤飛行器的相對位移,則x=x2-x1(1)忽略對接機構阻尼,單自由度對接機構可用下面數(shù)學方程描述,K為對接機構剛度。-Kxx≥0(2)F0x<0經(jīng)過推導,在真空無重力條件下,在對接機構作用力和反作用力驅(qū)動下,兩個質(zhì)點飛行器模型的動力學模型可寫作:¨x=F/[m1m2/(m1+m2)]口(simulation/hardwareinterface)頻率響應比較高;另一方面要求仿真/硬件接口相對負載(對接機構)剛度變化的靈敏度比較小。依據(jù)文獻[1]提出的空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)的建構思想與方法。前置濾波器與反饋控制器構成二自由度控制結構(two2degree2of2freedomcontrol[1]structure)。針對空間對接半物理仿真系統(tǒng)建構問題,在二自由度控制結構中,。/硬件接。前置濾波器補[5]償方法可行的前提條件是在半物理仿真頻帶內(nèi),仿真/硬件接口的動態(tài)特性相對于負載剛度等因素變化的靈敏度比較小。仿真/硬件接口主要由力與力矩傳感器、運動模擬器及其數(shù)字控制系統(tǒng)等組成。運動模擬器主要由固定支架、電液伺服控制的Stewart平臺等構成。電液伺服作動器是仿真/硬件接口的重要組成部分,而且是對仿真/硬件接口動態(tài)特性影響較大的部分。由于對接機構的等效剛度會改變電液伺服作動器的動態(tài)特性,因此電液伺服作動器設計問題顯得尤為重要。3電液伺服作動器設計要點電液伺服作動器是四通閥控對稱液壓缸系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,液壓動力機構動態(tài)特性受負載剛度變化因素影響發(fā)生變化。依據(jù)文獻[6],液壓動力機構的傳遞函數(shù)可寫作:=Xv(s)KAp2s4βeAp(3)在接觸碰撞半物理仿真系統(tǒng)中,用于實時數(shù)學仿真的數(shù)學模型的動力學模型可用公式(3)表示;被試物理硬件采用剛度已知的碰撞彈簧。2半物理仿真系統(tǒng)對電液伺服作動器設計要求在空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)中,以及在被仿真對象系統(tǒng)中,對接機構是相同的,且都是以物理硬件形式出現(xiàn)的。因此可以從分析對接機構入手,研究空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)建構對電液伺服作動器的設計要求。實際對接機構的剛度特性是本質(zhì)非線性的,對接機構等效剛度大致可劃分為接觸碰撞剛度和緩沖剛6度。接觸碰撞剛度較大,接近1×10N/m;對接機構的緩沖剛度低于接觸碰撞剛度,但是它是大范圍變化的。對接機構的特性情況,一方面要求仿真/硬件接VtMt3MtKceApBpVt4βeA2s2KVt4βeApBpKceApsKKceAp(4)這里使用的符號及其含義與文獻[6]相同。液壓動力機構傳遞函數(shù)的分母項中包含負載剛度,明顯說明液壓動力機構的動態(tài)特性與負載剛度有密切關系。針對空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)建構問題,可以做的工作是研究如何通過設計電液伺服作動器結構參數(shù),弱化液壓動力機構的動態(tài)特性與負載剛度的關系。在空間對接動力學半物理仿真問題中,對接機構阻尼相對較小。因此,電液伺服作動器的負載粘性阻尼小,滿足BpKce/Ap<<1。第11期常同立:空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)電液伺服作動器設計與研究53當滿足公式(5)時,[(KcetK)/(Ap(1+K/Kh))]<<122(5)可以增大電液伺服作動器的有效受壓面積,使之滿足公式(6)。K/Kh<<12系統(tǒng)模擬空間飛行器碰撞動力學過程的逼真度,進而驗證半物理仿真系統(tǒng)滯后補償器的補償作用是否有效。表1試驗系統(tǒng)部分參數(shù)符號ddaradbl2S(6)名稱上鉸圓半徑上鉸點短邊間距下鉸圓半徑下鉸點短邊間距值(單位)2(m)0126(m)3(m)015(m)415(m)2(m)20102(m)β式中:Kh為液壓彈簧剛度,Kh=4eAp/Vt。液壓動力機構的傳遞函數(shù)可以寫作公式(7)。Kq=Xv(s)ζKce2hs1+s+2++2ωoKωoAp2(7)式中:ωo為綜合固有頻率,ωo=ωhζo為綜合阻尼比,ζo+K/Kh;4βBpeceω2Mot/(1h)2ωh(eAp/Vt/Mt。,電液伺服作動器,間延遲進行補償,需要穩(wěn)定傳遞函數(shù)(7)在s域上的極點位置。穩(wěn)定傳遞函數(shù)(7)的極點位置的條件如下:,滯后補償器保持不變,實驗結:當負載剛度變化時,電液伺服作動器動態(tài)特性變化是否較小,間接驗證設計方法。忽略阻尼條件下,圖2所示模型的速度恢復系數(shù)是1,接觸時間用式(10)計算。T=π/4(m1+m2)K/m1m2(10)Ap>>2KceK(8)(9)βAp/Vt>>K/(4e)空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)的電液伺服作動器設計方法是:以對接機構最大接觸剛度K為依據(jù),設計電液伺服缸的有效作用面積Ap和受壓容腔Vt,使之滿足公式(8)和公式(9)。從公式(8)和公式(9)可以看出:較小的總的流量-壓力系數(shù)Kce和較大的油液體積彈性模數(shù)βe會有利于減小液壓動力機構的動態(tài)特性變化。液壓系統(tǒng)泄漏增加會使電液伺服作動器的動態(tài)特性相對于負載剛度的靈敏度增大;而對電液伺服系統(tǒng)的工作介質(zhì)采用抽真空技術,可以提高工作介質(zhì)的體積模量,降低運動模擬器動態(tài)特性相對負載剛度變化靈敏度。綜上所述,在空間對接半物理仿真問題中,液壓缸有效受壓面積作為液壓動力機構的關鍵參數(shù),其設計需要考慮3個方面情況:首先是需要滿足電液伺服作動器的功率指標;其次是需要滿足電液伺服作動器的動態(tài)響應速度指標;除此之外,還要考慮減小電液伺度作動器動態(tài)特性對于對接機構剛度變化的靈敏度,為半物理仿真系統(tǒng)建構創(chuàng)造條件。4試驗研究接觸碰撞半物理仿真試驗系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1,基本結構形式見圖1。改變被試物理硬件(碰撞彈簧)的參數(shù),進行碰撞接觸力測試和速度測試。通過計算碰撞速度恢復系數(shù)和接觸時間,可以評價接觸碰撞半物理仿真當碰撞彈簧剛度(對接機構剛度)K為9144×10N/m時,選取飛行器質(zhì)量為m1=m2=1597kg,初始碰撞速度為v21=0104m/s。試驗曲線如圖3、4所示,測試結果:速度恢復系數(shù)為01992,接觸時間為01290s。4當碰撞彈簧剛度K為3154×10N/m時,選取飛行器質(zhì)量為m1=m2=32423kg,初始碰撞速度為v21=0102m/s。試驗曲線如圖5、6所示,測試結果:速度恢復系數(shù)為01985,接觸時間為21140s。實驗結果證明:當被試物理硬件剛度變化時,接觸碰撞半物理仿真系統(tǒng)具有較高的逼真度。實驗結果同時表明上述有關空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)電液伺服作動器的設計方法是可行的。5結論本文作者從分析了空間對接半物理仿真系統(tǒng)建構(下轉(zhuǎn)第57頁)第11期唐珠創(chuàng)等:熱通道幕墻進出風口局部阻力系數(shù)實測與分析57序,輸入幕墻幾何尺寸:b、Δ、h、A1、A2、A3、A4。輸入軟件系統(tǒng)。將熱力學系數(shù)Cp、χ、αe、αi、Kw1、ξKw2、i輸入軟件系統(tǒng)。將流體力學參數(shù)和物理量ζ1、ζρ、φ2、φ3、φ4輸入軟件系統(tǒng)。3、層流流動α=2。有限單元劃分可以根據(jù)需要確定,為了與實驗值對比作如下劃分:截面0-0～1-1為第1單元;截面1-1～2-2為第2單元;截面2-2～3-3分為3單元;截面3-3～4-4為第6單元。經(jīng)過HWFACS(第二版)計算軟件計算結果見表1。算例計算值與實驗值的比較見表2。表1ModeⅠRQ2CL計算速度與壓力值報表單元段0-11-22-33-44-55-66-7的應用[J].工程建筑與設計,2003(9):5-7.【2】于浩峰.雙層幕墻通道內(nèi)空氣流動的CFD計算及分析[J].門窗幕墻信息,2004(8):10-11.【3】陳海,姜清海,郭金基,等.雙層通風幕墻熱氣流有限分析計算方法的研究[J].中山大學學報:自然科學版,2005,44(1):34-37.【4】姜清海,郭金基,陳海,等.雙層幕墻強迫送風有限分析方法的計算與實驗研究[J].廣東土木與建筑,2004(11):9-11.【5】陳海,毛伙南,郭金基,等.].,2005(11):.速度ui/(m?s-1)壓力i/Pa表2ModeⅠRQ2CL計算值與實驗值對比AiA2A11計算值ui-1/(m?s)實驗值ui-1)/(m?s計算值pi/Pa0116001201實驗值pi/Pa011701208()問題和對接機構的特性入手,指出了運動模擬器電液伺服作動器的設計要求。針對空間對接動力學半物理仿真問題,電液伺服作動器設計的關鍵是減小電液伺服作動器動態(tài)特性對于對接機構變剛度的靈敏度。本文作者給出電液伺服作動器設計方法。試驗研究結果表明:本文作者提出的空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)的電液伺服作動器設計方法是可行的。參考文獻【1】常同立.空間對接動力學半物理仿真系統(tǒng)設計及試驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2007:1-52.【2】SAnanthakrishnan,RTeders,KAlder.Roleofestima2tioninreal2timecontactdynamicsenhancementofspacestationengineeringfacility[J].mation,1996(5):20-27.IEEERobotics&Auto201114011870111601194本實驗值由中山大學工程力學實驗中心提供。用ModeⅠRQ2CL計算軟件計算得到的速度與實驗值比較最大誤差分別為1172%、3161%;計算得到的壓力與實驗值比較最大的誤差分別為5188%、3137%,兩者結果十分接近。本文作者進行了熱通道幕墻多種進出風口結構的模型測試,實測氣流出、入口及雙層幕墻通道的擴散,收縮段的阻力系數(shù)。在一維、定常流動和不可壓縮條件下,建立貝努里能量方程和連續(xù)性方程,分成有限單元段尋求局部解析解和全局數(shù)值解,編制計算機程序,開發(fā)HWFACS(第二版)ModeⅠ系列2個模塊,從算例的計算結果與實驗值基本相符,結果可靠。熱通道幕墻在溫差作用產(chǎn)生熱氣流或者在強迫送風與熱氣流共同流動情況下,仍可用一維