仿真转台用电液伺服系统低速性研究及实现

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在当前千变万化的国际形势中，作为衡量综合国力、科技水平和国防能力的航空航天工业，越来越备受各国关注。随着制导武器和飞行器的研制、发展和需要，惯性测试理论和惯性测试设备都得以快速发展。

仿真转台作为惯性测试设备的-种，已经从早期的单轴台发展到三轴台、再到五轴台 J，其在飞行器和导弹研制过程中起着非常重要的作用。它可以在实验条件下半实物模拟飞行器和导弹在空中实际的飞行姿态，复现其运动时的力学特征，对控制系统和制导系统进行反复地仿真和实验，获取实验数据后再进行重新设计或改进，以达到设计 目标要求。仿真转台的性能直接关系到飞行器和制导武器的性能，随着科学技术的不断发展，对飞行器和制导武器性能要求也不断提高，同时陨性测试设备性能也随之提高 I4 。

仿真转台最重要的性能指标--高精度、高频响、宽调速和超低速 。J。仿真转台的低速性不仅是仿真转台的-个重要的指标，而且也是仿真转台宽调速的必要条件。为了使仿真转台能够在低速的条件下平稳连续地工作，不仅要求仿真转台设计合理，对零件的加工也提出高的要求，同时对仿真转台控制系统的设计也提出更高的要求。

1 仿真转台低速性能的研究及实现我们将通过下几个方面对液压转台的低速性进行分析1)驱动型式转台的驱动型式-般分为直接驱动和间接驱动两种。直接驱动是指驱动元件的输出轴直接与转台的框架相固联，其主要缺点在于系统的低速性基本上由驱动元件决定，但有利于系统精度和动态刚度的提高。

间接驱动是指驱动元件输出轴经过减速机构减速然后再连接到转台的框架轴上，其主要的优点是能够提高系统的低速性，但是仿真转台-般对动态特性要求高，有较大的速比和频响等，齿轮啮合间隙以及齿面磨损不但影响动态特性，对精度也有较大的影响 J。综合考虑转台各项性能指标的影响，选择直接驱动方式，其驱动元件的低速性能对系统低速性起着决定性的作用。

2)驱动元件转台液压驱动元件技术较为成熟的是摆动式液压马达。液压马达摩擦特性随着转速不同而不同，属于动态摩擦模型。影响液压马达低速爬行现象主要参数是静、动力矩之差，差值越小越好。减小液压马达摩擦特性主要是液压马达密封结构的设计和密封材料的制作。液压马达密封的好坏不仅影响其摩擦特性，而且也影响马达的泄漏情况，进而影响马达的性能。在摆动式马达研制过程中，通过多次设计、实验和改进，设收稿 日期 ：2013-03-22作者简介：曲展龙(1988-)，男，山东威海人，硕士研究生，研究方向：流体传动及控制。

52 液压与气动 2013年第9期计了-种组合密封结构，采用了 0形圈和聚四氟乙烯两种材料组合密封。0形圈密封效果好，但是易磨损，而聚四氟乙烯摩擦系数很小，两者的组合密封具有较好的效果 。

3)电液伺服阀分辨率电液伺服阀分辨率要求控制伺服阀流量发生变化，控制电压或电流的最小变化量。伺服阀分辨率误差-般很小，但是当系统低速运动时，输入的控制信号及其变化较小，伺服阀分辨率误差影响将会变大。伺服阀分辨率误差会使系统低速运动爬行现象严重，影响低速稳定性和跟踪性能。对于伺服阀分辨率误差，- 般解决措施是通过控制系统给伺服阀额外增加-个高频率低幅值的正弦信号，频率在 300～500 Hz左右，幅值为伺服阀控制信号的10%左右，具体数值可由实验所得，由于该信号频率高、幅值低对系统频响影响较校4)液压阻尼比由阀控马达液压动力结构三个基本方程推得阻尼比 h如式(1)所示：Ke J Bm vt D 4D 卢。J 、式中， 为总流量 -压力系数(m /s·Pa)； 为工作油液的有效体积弹性模量(Pa)；J为液压马达和负载(折算到马达轴上)的总惯量(kg·m )；D 为液压马达的弧度排量(m。/rad)； 为液压马达、伺服阀腔及连接管道的总容积(m )；B 为液压马达和负载的粘性阻尼系数(N·m/(rad/s))。

影响液压阻尼 的因素很多，但主要影响因素是总流量 -压力系数 K K C ，而在 中阀的流量 -压 力系数K 作用比液压马达的总泄漏系数 C 大的多。/.随着阀的位移和负载不同具有很大的变化，导致阻尼比变化范围较大，零位时阻尼比最小，实测值约为0.1～0.2左右。在马达低速运行时，零位区域阻尼比很小，摩擦力影响较大，进而影响系统的低速性能。提高系统阻尼比-方面提高 ，可以通过马达本身的内漏、选择正开口阀、设置旁路泄漏通道、设置负载粘性阻尼等方式来提高，其中液压本身的内漏与密封有关而且是不可避免的，正开口阀和设置旁路泄漏通道虽然能增大阻尼比，但是使得功率损失较大，系统的刚度降低，而设置负载粘性阻尼-般结构较复杂，实际上是依靠马达本身内漏，适当的泄漏虽然使系统的刚度降低，但对系统低速性有很大的改进。另-方面通过控制的方法来提高液压阻尼比 ，例如系统中引入加速度反馈校正，在系统开环增益 和固有频 率不变的情况下，提高液压阻尼比 。

5)干扰力矩影响系统在运行中会出现随机的干扰力矩，可提高系统的刚度，保证系统运行的稳定性，尤其是提高低速时系统的抗干扰能力。

对系统刚度分析，-方面是防止空气侵入液压系统，设置蓄能器等以减小系统的压力脉动等来提高油源系统的刚度；另-方面是提高系统的动态速度刚度。

由阀控马达液压动力结构三个基本方程和拉氏变换得伺服系统动态速度刚度，如式(2)：式中， 为作用于马达轴上的摩擦力矩(N·m)；0为液压马达的角速度(rad/s)；o9 为系统固有频率。

l l '稳态时( ：o)时，l l： 为稳态速度刚 1o(s)1 e度，当然也能通控制的方法来(如速度反馈)提高系统的刚度。

6)控制策略控制策略不仅能够通过提高液压阻尼比 和系统刚度等改善系统的低速性能，而且可以建立系统的摩擦模型，根据摩擦模型设计控制器对系统摩擦干扰进行补偿。由于摩擦特性本身的复杂性，摩擦理论的研究和摩擦模型的建立-直备受关注和研究，因此摩擦干扰补偿-直在研究阶段，实际应用较少。

7)其他力矩机械轴承的摩擦力矩、转台框架运动时的耦合力矩和由于误差带来的摩擦力矩等，这些力矩在系统低速运行时影响较小，-般当作常量进行处理。

8)系统中其他非线性因素系统中的其他非线性因素，如、i贝4量元件的安装和量化误差、系统自身的固有误差、油液温度等都会使马达在低速运动时产生静态误差，可以通过有效的措施使电液伺服系统静态误差减小，如选用高精度的测量元件、在油源中加入控制油液温度的冷却器等。

2 仿真转台低速性实验研究在讨论了液压伺服系统低速性的影响因素和实现的可能性后，下面对-个项目进行实验研究。该项目是十 - S - - - - -/ - 、㈣2013年第9期 液压与气动 53研制-台电液混合驱动五轴仿真转台，以三轴台外框轴系为例，其轴系是由液压马达驱动，速度范围为0.005-9000。/s，低速时速度精度为0.005。/s。

仿真转台液压伺服系统是由液压马达、电液伺服阀、转台和位置反馈元件构成的闭环控制回路〖虑到液压伺服控制系统以及转台对动态性能和控制精度要求较高，采用了微分前劳滞后控制的复合控制策略。示例满足仿真转台性能要求，精确、快速的进行实时 2控制，采用了应用广泛的 Windows操作系统和功能强大的CBuilder语言。

设计液压马达时，密封结构为组合密封结构，采用丁晴橡胶 O形圈和聚四氟乙烯密封环复合密封结构组合密封，根据供油压力和伺服 阀空载流量选 择MOOG D792，控制电压为 -lO～1O V，颤振信号为0.5 sin(2w×300)Hz；系统的内漏和外漏，提高了液压阻尼比 ，对系统低速性有很大的作用，未进行控制方法的补偿；三轴台设计两个蓄能器，防止油液脉动大。另外注意管道密封防止空气进入油液，提高油源的刚度，系统稳态时的速度刚度较大；在油源压力为12 MPa，油源温度为 l5℃-35℃，控制系统响应分别为0.005。/s和0。01。/s时，其响应曲线(角位移-时间曲线 A0-t)如图 1和图2所示。

O.O2O.015。 0.01司O.005OO 2 4 6 8 10l214l61820 0 0.51.5 2 2.5 3 3.54ts tsa) b)图 1 0.005。/s的斜坡信号响应曲线图 1和图2分别为0.005。/s和0.01。/s时的斜坡信号响应曲线，其中图 1b为图 1a的局部放大图。曲线 1为给定的斜坡曲线，曲线2为系统的响应曲线，曲线3和曲线4分别为误差的上下限。由相应曲线 2可知，曲线中反映出了高频低幅的颤振信号。当速度为图 2 0.01。/s的斜坡信 号响应 曲线0.005。/s，上下限为 ±0.0001。/s，当速度为 0.01。/s，上下限为 ±0.0005。/s时，可知系统低速性满足要求。

从两图的局部放大图可知，由于受到摩擦力矩的影响，在相同转角时，速度为 0.005。/s比速度为0.01。/s波动幅度大，即速度越低受摩擦力影响越大。

3 结论仿真转台的低速性是转台重要的性能指标之-，本研究从影响低速性的各方面人手，分析低速性的影响因素和实现的可能性。最后以某-项目为例，考虑系统的特点、经济性和复杂性等，经过实验研究可知液压伺服系统低速性达到指标要求。