CN104948510A - 一种挤压式伺服系统参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种挤压式伺服系统参数确定方法，挤压式伺服系统包括挤压式能源和执行机构，其中挤压式能源包括初级气源、次级油源和蓄能能源，本发明通过对挤压式伺服系统中挤压式能源和执行机构的具体参数进行了优化设计，实现了挤压式伺服系统性能最优，且实现了系统的轻量化、小型化，降低了产品的研制难度，缩短了研制周期，提高了研制效率，能够快速满足航天运载器对大功率伺服系统的需求；本发明通过对蓄能能源的参数设计，实现了单工况设计满足双工况需求，低工况设计满足高工况需求，可降低初级能源的功率输出需求，大幅度提高伺服系统能源的功率利用效率。

Description

一种挤压式伺服系统参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种挤压式伺服系统参数确定方法,特别是涉及一种用于航天运载器推力矢量控制系统中的挤压式伺服系统的参数确定方法，属于伺服系统技术领域。

背景技术

挤压式伺服系统用于航天运载器推力矢量控制系统中的姿态控制执行机构，安装于发动机尾段狭小空间的内部，主要由挤压式伺服能源、执行机构、伺服阀控制器构成。其中挤压式伺服能源是伺服系统的能量来源，由初级气源和次级挤压式油源组成，在系统工作时，初级气源输出一定压力的气体，并输送至次级挤压式油源的气腔内，通过油气隔离装置对内部的液压介质产生持续的液压动力，并输送至执行机构；执行机构是伺服系统的液压执行元件，可由1台或多台伺服作动器构成，安装在作动器上的伺服阀接收伺服阀控制器的控制指令，对挤压式伺服能源的液压介质进行能量管理，使执行机构按照预定指令进行运动，摆动(转动)发动机喷管改变发动机的推力矢量方向，改变航天运载器的飞行姿态。

目前，国际上已有类似的伺服系统的应用先例。如欧洲航天局在其研制的固体发动机推力矢量控制系统上提出了一种以单纯的依靠高压氦气挤压液压油源的液压伺服系统，并成功地应用于阿里安5助推级固体发动机的推力矢量控制系统中。另外，日本的H-Ⅱ火箭固体助推级采用了带气源压力调节的氦气挤压式液压伺服系统用于推力矢量控制。美国雅典娜火箭上Ⅰ子级上猜采用了希奥科尔公司的Castor 120固体火箭发动机及配套的挤压式伺服系统。在国内，小功率的冷气挤压式伺服系统也有应用，主要应用于战术导弹导引头天线和位标器(红外头)伺服系统以及雷达天线伺服系统。

从已掌握的资料看，尽管国内外已有相应的挤压式伺服系统应用，但尚无该类系统的参数设计方法，仅在系统构型中涉及了系统的基本构成，无法实现具体工程应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种挤压式伺服系统参数确定方法，该方法综合考虑系统的轻量化、小型化，快速实现挤压式伺服系统的功率优化，降低了产品的研制难度，缩短了研制周期，提高了研制效率，能够快速满足航天运载器对大功率伺服系统的需求。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种挤压式伺服系统参数确定方法，所述挤压式伺服系统包括挤压式能源和执行机构，其中挤压式能源包括初级气源、次级油源和蓄能能源，具体包括如下步骤：

步骤(一)、执行机构参数的确定，包括确定执行机构的有效作用面积A、执行机构上伺服阀的空载流量Q₀₁、执行机构的行程L，具体如下：

(1)、执行机构的有效作用面积A通过如下公式得到：

$A=\frac{F}{P_L}$

其中：F为负载；

P_L为负载压力，且P_L＝P_S×K；

P_S为系统压力，K为工作点，具体指液压伺服系统在额定负载力下以额定负载速度驱动负载运动所需压力与系统压力的比值；

(2)、执行机构上伺服阀的空载流量Q₀₁通过如下公式得到：

$Q_{01}=\frac{Q_L}{\sqrt{1-K}}$

其中：Q_L为负载流量，且Q_L＝A×V；

V为额定速度；

(3)、执行机构的行程L通过如下公式得到：

L＝L₀₁+L₀₁′+L₀₁″

其中：L₀₁为额定行程；

L₀₁′为满足负载非工作状态和工作状态差异所需补偿的长度；

L₀₁″为负载力作用下负载刚度所导致运动位移的差值；

步骤(二)、次级油源参数的确定，包括次级油源的流量输出Q_Sy、次级油源的最小压力输出P、次级油源的蓄油量V₀，具体如下：

(1)、次级油源的流量输出Q_Sy通过如下公式得到：

Q_Sy＝Q_L+q

其中：q为执行机构上伺服阀的内泄漏量；

(2)、次级油源的最小压力输出P通过如下公式得到：

$P=\frac{P_L}{1-{\left(\frac{Q_L}{Q_0}\right)}^2}$

其中：Q₀为执行机构上伺服阀的额定空载流量；

(3)、次级油源的蓄油量V₀通过如下公式得到：

$V_0=A\×L\×\frac{L_{01}}{L_0}+q\×t;$

其中：L₀为负载额定行程，且L₀＜L；

L₀₁为执行机构的累计运动距离；t为挤压式伺服系统工作时间；

步骤(三)、初级气源参数的确定，包括初级气源的压力输出P_Sq，初级气源的流量输出Q_Sq，具体如下：

(1)、初级气源的流量输出Q_Sq通过如下公式得到：

Q_Sq＝Q_Sy

(2)、初级气源的压力输出P_Sq通过如下公式得到：

P_Sq＝P_S+ΔP

其中：ΔP为气体由初级气源流动至次级油源所产生的压力损失；

步骤(四)、蓄能能源参数的确定，即蓄能能源容积dV的确定，通过如下公式得到：

dV＝dV₁-dV₁₁-dV₁₂

其中：dV₁为常压下蓄能作用所需的蓄能容积，公式表达为 ${\mathrm{dV}}_1=\frac{{\mathrm{dV}}_0}{\sqrt{\frac{P_S}{P}}-1};$ dV₀＝dV₀₁-dV₀₂；

dV₀为额定压力下蓄能作用所需的液压油体积，

dV₀₁为单次快速运动最长时间内所需的液压油体积，dV₀₁＝2×A×L；

dV₀₂为蓄能能源的容积；dV₀₂＝Q_S×t₀₁；

t₀₁为单次快速运动最长时间；

dV₁₁为次级油源内介质的体积压缩量，公式表达为

K_V为液压油的体积弹性模量；

dV₁₂为t₀₁时间内伺服系统的最大内泄漏量，公式表达为：dV₁₂＝q×t₀₁。

在上述挤压式伺服系统参数确定方法中，步骤(四)中快速运动的速度为负载额定速度V，单次快速运动最长时间t₀₁通过如下公示得到：

$t_{01}=2\×\frac{L}{V}.$

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明通过对挤压式伺服系统中挤压式能源和执行机构的具体参数进行了优化设计，实现了挤压式伺服系统性能最优，且实现了系统的轻量化、小型化，降低了产品的研制难度，缩短了研制周期，提高了研制效率，能够快速满足航天运载器对大功率伺服系统的需求。

(2)、本发明通过对蓄能能源的参数设计，实现了单工况设计满足双工况需求，低工况设计满足高工况需求，可降低初级能源的功率输出需求，大幅度提高伺服系统能源的功率利用效率。

附图说明

图1为本发明挤压式伺服推力矢量系统组成原理示意图；

图2为本发明挤压式伺服系统液压回路原理示意图；

图3为本发明挤压式伺服系统总体参数设计流程图；

图4为本发明挤压式伺服系统详细参数设计流程图；

图5为本发明挤压式伺服系统蓄能原理图；

图6为本发明执行机构快速运动时间t₀₁定义原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明挤压式伺服推力矢量系统组成原理示意图，图2为本发明挤压式伺服系统液压回路原理示意图；本发明挤压式伺服系统包括挤压式能源和执行机构，其中挤压式能源包括初级气源、次级油源和蓄能能源，其工作原理为：电爆阀在工作时接收伺服阀控制器的点火指令，使初级气源产生一定压力的气体进入次级油源“挤”出高压油液，为执行机构提供能源动力，驱动执行机构按照控制指令做伸缩运动，推动摇摆负载做全轴摆动，使飞行器按照预定轨道飞行，实现推力矢量控制。工作后油液经低压回路直接排出系统外，该系统是一种“开放式系统”，在伺服系统初步设计中，需要根据负载参数确定挤压式伺服系统的执行机构参数、挤压式能源参数。

挤压式伺服系统的参数设计流程如图3所示。与泵式液压能源伺服系统不同，挤压式伺服系统不仅需要根据负载参数对执行机构的有效作用面积、行程和能源的压力、流量进行设计，而且需要对次级油源的蓄油量和蓄能能源进行设计。

本发明挤压式伺服系统参数确定方法，具体包括如下步骤：

步骤(一)、执行机构参数的确定，包括确定执行机构的有效作用面积A、执行机构上伺服阀的空载流量Q₀₁、执行机构的行程L，具体如下：

(1)、执行机构的有效作用面积A通过如下公式得到：

$A=\frac{F}{P_L}$

其中：F为负载；

P_L为负载压力，且P_L＝P_S×K；

P_S为系统压力，K为工作点，具体指液压伺服系统在额定负载力下以额定负载速度驱动负载运动所需压力与系统压力的比值；取值为2/3～0.8。

(2)、执行机构上伺服阀的空载流量Q₀₁通过如下公式得到：

$Q_{01}=\frac{Q_L}{\sqrt{1-K}}$

其中：Q_L为负载流量，且Q_L＝A×V；

V为额定速度；

(3)、执行机构的行程L通过如下公式得到：

L＝L₀₁+L₀₁′+L₀₁″

其中：L₀₁为额定行程；

L₀₁′为满足负载非工作状态和工作状态差异所需补偿的长度；

L₀₁″为负载力作用下负载刚度所导致运动位移的差值；

步骤(二)、次级油源参数的确定，包括次级油源的流量输出Q_Sy、次级油源的最小压力输出P、次级油源的蓄油量V₀,具体如下：

(1)、次级油源的流量输出Q_Sy通过如下公式得到：

Q_Sy＝Q_L+q

其中：q为执行机构上伺服阀的内泄漏量；

(2)、次级油源的最小压力输出P通过如下公式得到：

$P=\frac{P_L}{1-{\left(\frac{Q_L}{Q_0}\right)}^2}$

其中：Q₀为执行机构上伺服阀的额定空载流量；

(3)、次级油源的蓄油量V₀通过如下公式得到：

$V_0=A\×L\×\frac{L_{01}}{L_0}+q\×t;$

其中：L₀为负载额定行程，且L₀＜L；

L₀₁为执行机构的累计运动距离；t为挤压式伺服系统工作时间；

步骤(三)、初级气源参数的确定，包括初级气源的压力输出P_Sq，初级气源的流量输出Q_Sq，具体如下：

(1)、初级气源的流量输出Q_Sq通过如下公式得到：

Q_Sq＝Q_Sy

(2)、初级气源的压力输出P_Sq通过如下公式得到：

P_Sq＝P_S+ΔP

其中：ΔP为气体通过管路等附件由初级气源流动至次级油源所产生的压力损失。

步骤(四)、蓄能能源参数的确定，即蓄能能源容积dV的确定，通过如下公式得到：

dV＝dV₁-dV₁₁-dV₁₂

其中：dV₁为常压下(一个大气压下)蓄能作用所需的蓄能容积，公式表达为dV₀＝dV₀₁-dV₀₂；

dV₀为额定压力下蓄能作用所需的液压油体积，

dV₀₁为单次快速运动最长时间内所需的液压油体积，dV₀₁＝2×A×L；其中快速运动的速度为负载额定速度V；

dV₀₂为蓄能能源的容积；dV₀₂＝Q_S×t₀₁；

t₀₁为单次快速运动最长时间；

dV₁₁为次级油源内介质的体积压缩量，公式表达为

K_V为液压油的体积弹性模量；

dV₁₂为t₀₁时间内伺服系统的最大内泄漏量，公式表达为：dV₁₂＝q×t₀₁。

实施例1

在伺服系统参数中，负载力F、额定速度V、额定行程L₀、累计运动距离L₀₁、工作时间t是确定系统的输入参数。F＝80000N，V＝0.5m/s，L₀＝0.1m，L₀₁＝25m，t＝100s。如图4所示为本发明挤压式伺服系统详细参数设计流程图。

一、执行机构参数的确定，包括确定执行机构的有效作用面积A、执行机构上的伺服阀的空载流量Q₀₁、执行机构的行程L：

(1)、设定液压伺服系统的工作压力P_S和工作点K；P_S＝28MPa，K＝0.7。

(2)、确定液压伺服系统的负载压力P_L，P_L＝P_S×K；

(3)、确定执行机构的有效作用面积A，

(4)、确定执行机构的负载流量Q_L，Q_L＝A×V；

(5)、确定安装于执行机构上的伺服阀的空载流量，

并根据伺服阀空载流量Q₀₁选定伺服阀型号，获得伺服阀的额定空载流量Q₀、内泄漏量q指标；

(6)、确定执行机构的行程，L＝L₀₁+L₀₁′+L₀₁″。

在弹(箭)结构确定的前提下，伺服系统的工作压力确定取决于伺服系统负载力F的大小和作动器的有效作用面积A_p，即满足下述关系：伺服系统的工作流量主要取决于负载运动速度ω和作动器的有效作用面积A_p，即满足下述关系：Q∝ω×A_p；挤压式伺服系统蓄油量主要取决于作动器的有效作用面积A_p、总任务摆角S_t和伺服系统最大单向摆角θ，即满足下述关系：V∝(A_p×S_t)/θ。其中负载力F、负载速度ω、总任务摆角S_t和最大单向摆角θ为全弹(箭)任务指标，因此伺服系统的压力、流量、蓄油量满足下述关系：P∝1/A_p、Q∝A_p、V∝A_p，即系统的工作压力选取越高，作动器的有效作用面积越小，能源流量输出需求越小，液压介质储量越小。因此，已有技术成果基础上，提高系统压力输出，降低执行机构有效作用面积，可以有效降低系统的初始介质储量，实现系统的小型化和轻量化。

二、根据执行机构参数，确定次级油源参数，包括次级油源的流量输出Q_Sy、次级油源的最小压力输出P、次级油源的蓄油量V₀,具体如下：

(1)、根据执行机构的负载流量Q_L和伺服阀内泄漏量q确定次级油源的流量输出Q_Sy，Q_Sy＝Q_L+q；

(2)、根据执行机构的负载压力P_L、负载流量Q_L和伺服阀额定空载流量Q₀确定次级油源的最小压力输出P，

(3)、根据负载额定行程L₀、累计运动距离L₀₁、系统工作时间t和执行结构的最大行程L、有效作用面积A、伺服阀内泄漏量q，确定次级挤压式油源的蓄油量V₀， $V_0=A\×L\×\frac{L_{01}}{L_0}+q\×t.$

三、初级气源参数的确定，包括初级气源的压力输出P_Sq，初级气源的流量输出Q_Sq，Q_Sq＝Q_Sy，P_Sq＝P_S+ΔP。

四、为实现系统功率的最优化，本发明对蓄能能源参数进行了优化设计，即确定了蓄能能源容积dV：

次级油源可分解为恒流量挤压式能源和可变容积式蓄能器两部分，其原理示意图如图5所示。图中恒流量挤压式能源为下游执行机构提供恒定流量，其流量输出与初级气源额定输出流量成正比；变容积蓄能器为伺服系统提供峰值流量，其气体容积与工作时间成正相关，即随着系统的工作时间的持续，液压介质逐渐排出，油箱气腔容积逐渐增大，蓄能器的工作容积越来越大，蓄能作用越来越强，因此在系统工作初始状态，通过蓄能作用能够满足最大流量需求，则全程均可满足最大流量需求。

(1)、航天运载器在飞行过程中要求按照预定轨迹稳定飞行，伺服系统指令信号一般在起飞阶段或经历大风区时存在较大的输出，不会存在连续的快速往复运动信号，伺服系统执行机构快速运动的指令信号如图6所示，图6给出了执行机构快速运动时间t₀₁定义原理图。根据负载额定速度V和执行机构行程L确定系统工作时间单次快速运动的最长时间t₀₁，

(2)、根据执行机构的有效作用面积A、最大行程L，确定系统在单次快速运动最长时间内所需的液压油体积dV₀₁；dV₀₁＝2×A×L；

(3)、根据初级气源的额定流量Q_S和单次快速运动的最长时间t₀₁，确定系统工作起始阶段的次级挤压式油源气腔内的气体容积dV₀₂，dV₀₂＝Q_S×t₀₁；

(4)、确定额定压力P_S下，通过蓄能作用所需的液压油体积dV₀，dV₀＝dV₀₁-dV₀₂；

(5)、根据气体状态方程，确定常压下蓄能作用所需的蓄能容积dV₁， ${\mathrm{dV}}_1=\frac{{\mathrm{dV}}_0}{\sqrt{\frac{P_S}{P}}-1};$

(6)、根据能源蓄油量V₀和液压油的体积弹性模量K_V，确定液压油由常压(一个大气压)被压缩至额定压力P_S的体积缩小量dV₁₁，

(7)、根据单次快速运动的最长时间t₀₁和伺服阀内泄漏量q，确定次级挤压式油源在由常压升高至额定压力P_S过程中伺服系统的最大内泄漏量dV₁₂，dV₁₂＝q×t₀₁；

(8)、确定挤压式能源保证伺服系统快速运动所需的最小气垫容积dV，dV＝dV₁-dV₁₁-dV₁₂。

本发明通过设计蓄能能源，通过蓄能作用实现了：单工况设计满足双工况需求，低工况设计满足高工况需求。

五、系统实现

在执行机构、挤压式能源各项参数确定后，建立流体传动仿真模型，进行全系统仿真分析和参数优化。根据执行机构有效作用面积、行程参数及伺服阀型号的确定参数，可以开展执行机构的详细结构设计；根据次级能源的蓄油量及蓄能能源，进行次级油源的详细结构设计；根据初级能源的压力、流量参数，进行初级气源的压力容器设计和气体控制阀的详细设计。上述各组成部分完成设计后，通过气体管路、液压管路将各组成部分相连，构成一套完整的挤压式伺服系统。

本实施例中将获得的各个参数用于系统工程实现，构架了完整的伺服系统样机，进行了推力矢量伺服系统试验，单工况伺服系统满足了推力矢量控制系统全工况的需求，对伺服系统的功率需求降低了25％-50％。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种挤压式伺服系统参数确定方法，其特征在于：所述挤压式伺服系统包括挤压式能源和执行机构，其中挤压式能源包括初级气源、次级油源和蓄能能源，具体包括如下步骤：

步骤(一)、执行机构参数的确定，包括确定执行机构的有效作用面积A、执行机构上伺服阀的空载流量Q₀₁、执行机构的行程L，具体如下：

(1)、执行机构的有效作用面积A通过如下公式得到：

$A=\frac{F}{P_L}$

其中：F为负载；

P_L为负载压力，且P_L＝P_S×K；

P_S为系统压力，K为工作点，具体指液压伺服系统在额定负载力下以额定负载速度驱动负载运动所需压力与系统压力的比值；

(2)、执行机构上伺服阀的空载流量Q₀₁通过如下公式得到：

$Q_{01}=\frac{Q_L}{\sqrt{1-K}}$

其中：Q_L为负载流量，且Q_L＝A×V；

V为额定速度；

(3)、执行机构的行程L通过如下公式得到：

L＝L₀₁+L₀₁′+L₀₁″

其中：L₀₁为额定行程；

L₀₁′为满足负载非工作状态和工作状态差异所需补偿的长度；

L₀₁″为负载力作用下负载刚度所导致运动位移的差值；

步骤(二)、次级油源参数的确定，包括次级油源的流量输出Q_Sy、次级油源的最小压力输出P、次级油源的蓄油量V₀，具体如下：

(1)、次级油源的流量输出Q_Sy通过如下公式得到：

Q_Sy＝Q_L+q

其中：q为执行机构上伺服阀的内泄漏量；

(2)、次级油源的最小压力输出P通过如下公式得到：

$P=\frac{P_L}{1-{\left(\frac{Q_L}{Q_0}\right)}^2}$

其中：Q₀为执行机构上伺服阀的额定空载流量；

(3)、次级油源的蓄油量V₀通过如下公式得到：

$V_0=A\×L\×\frac{L_{01}}{L_0}+q\×t;$

其中：L₀为负载额定行程，且L₀＜L；

L₀₁为执行机构的累计运动距离；t为挤压式伺服系统工作时间；

步骤(三)、初级气源参数的确定，包括初级气源的压力输出P_Sq，初级气源的流量输出Q_Sq，具体如下：

(1)、初级气源的流量输出Q_Sq通过如下公式得到：

Q_Sq＝Q_Sy

(2)、初级气源的压力输出P_Sq通过如下公式得到：

P_Sq＝P_S+ΔP

其中：ΔP为气体由初级气源流动至次级油源所产生的压力损失；

步骤(四)、蓄能能源参数的确定，即蓄能能源容积dV的确定，通过如下公式得到：

dV＝dV₁-dV₁₁-dV₁₂

其中：dV₁为常压下蓄能作用所需的蓄能容积，公式表达为 ${\mathrm{dV}}_1=\frac{{\mathrm{dV}}_0}{\sqrt{\frac{P_S}{P}}-1};$ dV₀＝dV₀₁-dV₀₂；

dV₀为额定压力下蓄能作用所需的液压油体积，

dV₀₁为单次快速运动最长时间内所需的液压油体积，dV₀₁＝2×A×L；

dV₀₂为蓄能能源的容积；dV₀₂＝Q_S×t₀₁；

t₀₁为单次快速运动最长时间；

dV₁₁为次级油源内介质的体积压缩量，公式表达为

K_V为液压油的体积弹性模量；

dV₁₂为t₀₁时间内伺服系统的最大内泄漏量，公式表达为：dV₁₂＝q×t₀₁。

2.根据权利要求1所述的一种挤压式伺服系统参数确定方法，其特征在于：所述步骤(四)中快速运动的速度为负载额定速度V，单次快速运动最长时间t₀₁通过如下公示得到：

$t_{01}=2\×\frac{L}{V}.$