一种双气动机能源冗余伺服机构启动特性确定方法

摘要

本发明涉及一种双气动机能源冗余伺服机构启动特性确定方法，步骤包括：S1、构建气动机及其余能源部分模型，建立蓄压器建压压力与流量的关系；S2、建立双气动机能源冗余伺服机构能源回路仿真模型，完成系统建压过程；S3、设置输入参数为气能源压力和温度，并将输入参数导入双气动机能源冗余伺服机构能源仿真模型中，输出蓄压器压力、气动机转速的仿真结果。本发明可实现双冗余气动机能源伺服系统启动特性分析，伺服系统由两台伺服机构构成，具有能源双冗余特性，可实现相互独立的两台气源为气动机供气时的启动特性分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双气动机能源冗余伺服机构启动特性确定方法，属于运载火箭电液伺服机构技术领域。

背景技术

伺服机构是我国对运载火箭飞行控制执行机构子系统的统称，典型应用是摇摆发动机实施推力矢量控制。气动机能源伺服机构是用气动机拖动变量柱塞泵为伺服机构提供液压能源，驱动伺服作动器摇摆氢氧发动机的执行机构。基于高可靠性的设计原则，气动机能源伺服机构采用两台并联连接、互为备份的方案，两台伺服机构能源之间存在一定的影响，即一台伺服机构的能源是另一台伺服机构的负载，外在表现为气动机启动不同步现象。气动机启动不同步导致建压延迟，严重时会影响伺服机构的启动性能。因此，确定双冗余伺服机构的气动机启动特性是解决启动不同步的关键技术，亟待解决。

在解决气动机启动不同步的问题上，现有的方法是通过模仿成熟型号的供氢流量与供氢压力梯度，通过样机试验，来分析研究不同供氢压力、流量条件下的气动机启动不同步问题。显然，通过这种方法来获取较佳的供氢条件参数，去解决气动机启动不同步问题，相应试验时间周期和成本较难承受。因此，有必要建立双气动机能源仿真模型，深入分析不同供氢条件和气动机特性对能源冗余的两台伺服机构启动特性的影响，以获取解决气动机启动不同步的方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种双气动机能源冗余伺服机构启动特性确定方法，对双冗余电液伺服机构的能源回路建模，仿真分析不同供氢压力、温度和不同液压泵变量特性下的两台气动机启动和稳定工作状态，为解决气动机启动不同步现象提供依据，实现伺服机构的性能优化，提高并联伺服机构的可靠性。

本发明解决技术的方案是：

一种双气动机能源冗余伺服机构启动特性确定方法，具体步骤如下：

S1、构建气动机及其余能源部分模型：

据氢气质量流量方程以及引入的氢气能源压力p

确定供氢流量Q

确定气动机输出转矩T

S2、建立双气动机能源冗余伺服机构能源回路仿真模型：氢气能源经音速喷嘴进入气动机做功，产生转矩，驱动气动机带动同轴的液压泵旋转，产生液压能源压力和流量，并充入蓄压器中，直至蓄压器从初始压力逐步升高达到稳定的液压泵出口压力，两个伺服机构、伺服机构的能源回路并联冗余，其液压回路的压力和流量互通，完成系统建压过程；

S3、设置输入参数为气能源压力和温度，并将输入参数导入双气动机能源冗余伺服机构能源仿真模型中，输出蓄压器压力、气动机转速的仿真结果。

进一步的，S1中，根据氢气质量流量方程，引入的氢气能源压力p

其中，c

进一步的，其特征在于，S1中，

Q

其中，Q

进一步的，其特征在于，S1中，S1中，设定气动机进气压力P

进一步的，其特征在于，S1中，根据气动机-液压泵力矩平衡方程，可计算得到气动机转速ω，相应数学模型如下：

其中：J为气动机与液压泵转动惯量，T

进一步的，其特征在于，S1中，液压泵转动力矩

其中，P为液压泵输出压力，P

进一步的，其特征在于，S1中，液压泵的输出流量

Q

其中，η

进一步的，其特征在于，S1中，根据伺服阀零位泄漏方程

进一步的，其特征在于，S1中，根据蓄压器建压方程，

其中，P

进一步的，S2中，伺服机构A、B引流自发动机的箭上能源，压力为P

伺服机构A、伺服机构B的能源回路并联冗余，其液压回路的压力和流量互通。

进一步的，S3中，具体实现方法为：

S3.1设置伺服机构A、伺服机构B的输入参数：氢气能源压力p

S3.2将氢气能源温度T

S3.3将气动机进气压力P

S3.4Q

S3.5根据气动机压力-力矩转换方程，将ΔP

S3.6设置输入参数P

S3.7转速根据气动机-液压泵力矩平衡方程，以气动机进气压力P

S3.8根据液压泵转速ω1，计算液压泵输出流量，此处将蓄压器压力引入第一切换开关模块中进行判断，若P≤P

S3.9将蓄压器压力p代入伺服阀泄漏函数f(u)中，得到伺服阀内泄漏流量Q

S3.10将伺服机构A液压泵输出流量Q

S3.11将本模块输出的蓄压器压力p代入函数f(u)＝u

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明可实现双冗余气动机能源伺服系统启动特性分析，伺服系统由两台伺服机构构成，具有能源双冗余特性，可实现相互独立的两台气源为气动机供气时的启动特性分析，两台气源的压力、流量相互独立，可实现其中一台伺服机构先启动，能源对另一台的能源影响分析；

(2)本发明通过仿真结果与试验结果对比分析，两者趋势一致，吻合良好，本发明的方法容易实现，物理意义明确，参数选取方便，可推广应用于其它型号。

附图说明

图1为本发明双气动机能源伺服系统液压原理图；

图2为本发明双气动机能源伺服系统能源仿真模型；

图3为本发明蓄压器模块子函数。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

一种双气动机能源冗余伺服机构启动特性确定方法，具体步骤如下：

S1、构建气动机及其余能源部分模型：

据氢气质量流量方程以及引入的氢气能源压力p

确定供氢流量Q

确定气动机输出转矩T

S2、建立双气动机能源冗余伺服机构能源回路仿真模型：氢气能源经音速喷嘴进入气动机做功，产生转矩，驱动气动机带动同轴的液压泵旋转，产生液压能源压力和流量，并充入蓄压器中，直至蓄压器从初始压力逐步升高达到稳定的液压泵出口压力，两个伺服机构、伺服机构的能源回路并联冗余，其液压回路的压力和流量互通，完成系统建压过程；

S3、设置输入参数为气能源压力和温度，并将输入参数导入双气动机能源冗余伺服机构能源仿真模型中，输出蓄压器压力、气动机转速的仿真结果。

如图1所示为氢气能源伺服系统液压原理图，由两台伺服机构组成，主要包括两台气动机、两台液压泵、两台伺服阀和作动器。工作原理为箭上氢气能源1分2经过音速喷嘴，驱动气动机旋转并同轴带动液压泵产生液压能，两台伺服机构由冗余油管连接，两台伺服机构能源互为冗余。由于两台氢气能源与两台气动机的差异性，导致两台气动机启动不同步，如图2所示。

根据伺服系统组成，构建物理模型，通过物理模型计算得到气动机启动特性，根据两台气动机启动时间，确定气动机的启动不同步性。具体步骤如下：

(一)气动机模型建模

第一步：根据氢气质量流量方程，根据引入的氢气能源压力p

其中c

第二步：推导气动机流量连续性方程，得到供氢流量Q

Q

其中Q

(二)其余能源部分建模

步骤1)：设定气动机进气压力P

步骤2)：根据气动机-液压泵力矩平衡方程，可计算得到气动机转速ω。相应数学模型如下：

其中：J为气动机与液压泵转动惯量，T

因为气动机与液压泵同轴传动，液压泵转速与气动机转速相同。

步骤3)：在步骤2)所述液压泵转动力矩T

其中，P为液压泵输出压力，P

步骤4)：根据步骤2)得到的液压泵转速即气动机转速ω，利用液压泵输出流量方程，计算得到液压泵的输出流量Q

Q

其中，η

步骤5)：根据伺服阀零位泄漏方程

步骤6)：根据步骤4)和步骤5)得到的液压泵输出流量Q

其中，P

(三)如图1所示，伺服机构A引流自发动机的箭上能源，压力为P

伺服机构B的液压原理与伺服机构A相同。

伺服机构A、伺服机构B的能源回路并联冗余，其液压回路的压力和流量互通。

(四)伺服机构A、伺服机构B共用一个蓄压器，其余能源模型相同。以伺服机构A为例描述图2仿真建模过程。

S3.1设置伺服机构A、伺服机构B的输入参数：氢气能源压力p

S3.2将氢气能源温度T

S3.3将气动机进气压力P

S3.4Q

S3.5根据气动机压力-力矩转换方程，将ΔP

S3.6设置输入参数P

S3.7转速根据气动机-液压泵力矩平衡方程，以气动机进气压力P

S3.8根据液压泵转速ω1，计算液压泵输出流量，此处将蓄压器压力引入第一切换开关模块中进行判断，若P≤P

S3.9将蓄压器压力p代入伺服阀泄漏函数f(u)中，得到伺服阀内泄漏流量Q

S3.10将伺服机构A液压泵输出流量Q

S3.11蓄压器模块子函数如图3，将本模块输出的蓄压器压力p代入函数f(u)＝u

本发明技术方案不仅可以用于运载火箭伺服机构，本发明同样适用于采用气动机作为能源部件的其余电液伺服机构。

本发明可实现双冗余气动机能源伺服系统启动特性分析，伺服系统由两台伺服机构构成，具有能源双冗余特性，可实现相互独立的两台气源为气动机供气时的启动特性分析，两台气源的压力、流量相互独立，可实现其中一台伺服机构先启动，能源对另一台的能源影响分析。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。