摘要：本文通過分析伺服閥的流量增益與負載壓力的非線性，采用狀態觀測器獲得內部壓力，以實現對流量的精確控制。為了測試和調試伺服加載控制器的工作性能，通過對控制器各個組成部分分析，建立了仿真試驗平臺系統控制器各部件的數學模型，最后，對系統數學模型的合理性進行了實驗驗證，結果表明該系統可以較好地模擬伺服加載系統的實際工作情況，此模型可用于加載控制器性能的仿真。

關鍵詞：伺服加載控制器；數學模型；伺服閥；模擬器

中途分類號：TP9文獻標識碼：B

0引言

電液伺服加載系統(簡稱EHSLS)是一個復雜的機-電-液復合力伺服系統，在飛行器的研制過程中，EHSLS用以在實驗室條件下模擬飛行器舵機所受空氣動力等載荷，并檢測舵機驅動系統技術性能指標的地面半實物仿真設備，其結構原理如圖1所示[1]。

圖1電液伺服加載系統結構原理

1、舵機液壓缸；2、加載液壓缸；3、位移傳感器；4、力函數發生器；5、彈性負載；6、等效慣性負載；7、力傳感器；

電液伺服加載系統作為飛行器性能試驗負載模擬器，是目前最為常見的一種地面動態飛行仿真設備，在國防航空航天領域有著廣泛的應用。伺服加載控制器是伺服加載系統的核心，其性能好壞很大程度上決定伺服加載系統的性能，隨著國防工業的發展，對控制器性能指標要求越來越高［2-3］飛機直線作動器伺服加載系統是用于直線作動器做特性試驗時，給產品作動器施加載荷的控制系統。對伺服加載控制器的調試一般都是先在計算機上對模型進行軟件仿真，然后就直接在實際控制系統中進行調試應用。這種方法會存在較大的風險，一旦控制器出現控制失調，會造成產品的損壞，若能合理設計加載系統機械部分的模型，就能構建一個與加載系統實際工作情況接近的試驗平臺，對控制器進行離線仿真閉環測試，從而將控制器的性能調整到最佳狀態［4-5］。

因為電液伺服加載系統的巨大經濟效益和潛在價值，受到了液壓和控制領域眾多學者的重視，并且一度成為該領域的前沿課題。由于電液伺服加載系統是典型的被動式力控制系統，在動態加載過程中，存在由舵機系統的主動運動引起的多余力。多余力混入加載系統，不僅嚴重影響加載精度，而且對其他控制性能也有不利影響，電液伺服加載系統的許多重要性能指標都和多余力有關[6-7]。對于如何克服多余力的問題，目前國內外學者提出和應用了各種各樣的方法[8]，其中基于結構不變性原理的多余力抑制是應用最普遍的主動消擾方式，某單位將其應用在3—4FM型導彈空氣動力負載仿真臺上[9]，或將其成功用于直升機旋翼加載上[10]，還有其他用在船舶舵機和飛機起落架的加載上等[11-12]，都取得了令人滿意的效果。

1電液伺服加載系統數學模型

為了推導的簡潔性，在數學建模中需做適當假設。除此之外，加載液壓缸與等效負載可視為剛性連接，力傳感器得剛度較高，忽略其彈性變形。由于實際中需對舵機進行精確地位移的加載，其自身內部的運動和相互作用力不在研究范圍之內，舵機系統以其位移的形式作為加載系統的輸入，以此為基礎研究電液伺服加載系統。

加載系統伺服閥中的流量[13]

式中：QL為伺服閥的負載流量(m3／s)；Kq為伺服閥的流量增益系數(m2／s)；Xv為伺服閥閥芯位移(m)；PL為伺服閥的負載壓力(Pa)；PT為油箱壓力(Pa)；ρ為油液密度(kg／m3)；w為控制閥口的面積梯度(m),Cd為閥口的流量系數(無因次)。

加載系統液壓缸中的壓力：

式中：AF為液壓缸活塞的有效面積(m2)；Ctc為液壓缸總泄漏系數(m5／(N·s))；yL為等效負載位移(m)；Vt為液壓缸兩腔的總容積(m3)；βe為液壓油的等效體積彈性模數(Pa)。

加載系統提供的實際載荷：

多余力為：

式中：FD為期望載荷。

伺服加載控制器采用PI控制規律。P調節提高系統響應速度，I調節消除穩態誤差，離散化PI增量型控制規律表示為

式中:u(k)為PI調節輸出信號；k為時間序列號；Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；T為采樣周期；ε(k)為偏差信號；Δu(k)為PI調節增量。

2伺服加載系統部件模型

伺服加載系統中的機械部件包括伺服放大器電液伺服閥、液壓缸、力傳感器等，這些部件均可用模型來進行描述。

設指令電壓信號為Ur，反饋電壓信號為UF，則偏差電壓信號為Ue

力傳感器方程為

式中：KF為力傳感器增益;F為反饋力伺服放大器的輸出為：

式中：i為放大器輸出電流；U為放大器輸入電壓；Ka為放大器增益。

由于等效負載的慣性力和液壓缸的粘性力可通過力函數發生器進行補償，因此可不進行討論。通過以上分析，同時考慮功率放大器、電液伺服閥、位移傳感器、力傳感器、力函數發生器等系統外圍組件，可得電液伺服加載系統方框圖，如圖2所示。

圖2電液伺服加載系統方框圖

雖然通過加載系統伺服閥中的流量公式可得到實時缸壓和流量的關系，但是實際中測量伺服閥的負載壓力往往會提高成本。而通過控制流量可以補償干擾位移的運動，加載系統伺服閥中的流量公式也說明流量與液壓缸內壓力有關。因此在沒有壓力傳感器的情況下，利用現代自動控制理論通過系統重構建立一套狀態觀測系統，采用狀態觀測器預估系統狀態的辦法，實時地修正狀態觀測系統，使其與實際系統一致，從而保證觀測器中液壓缸兩端的壓力與實際系統中的一致。

3仿真模型搭建

通過對以上部件數學模型的建立可得實時缸壓和流量的關系，但是在實際中測量伺服閥的負載壓力往往會提高成本。而通過控制流量可以補償干擾位移的運動，這也就說明流量與液壓缸內壓力有關。因此在沒有壓力傳感器的情況下，利用現代自動控制理論通過系統重構建立一套狀態觀測系統，采用狀態觀測器預估系統狀態的辦法，實時地修正狀態觀測系統，使其與實際系統一致，從而保證觀測器中液壓缸兩端的壓力與實際系統中的一致，其控制模型如圖3所示。

圖3系統控制部分仿真模型

4結論

本研究針對電液伺服加載系統被動加載時存在較大多余力及結構不變性原理難以完全補償的問題，對整個控制系統進行了建模和仿真。文中從系統數學模型出發，在結構不變性原理的基礎上，深入分析了伺服閥的流量方程，并通過狀態觀測器預估實時液壓缸兩腔壓力，建立了其與伺服閥流量增益的關系，從而更加精確地補償了多余流量。最終通過仿真分析表明，所建數學模型與實際仿真效果相同。然而，在本文中由于簡化了觀測器的狀態跟蹤部分，只能在短時間內保持與實際系統的狀態一致。

5參考文獻

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