[发明专利]一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法

说明书

技术领域

本发明属于复杂产品多学科设计与仿真领域，具体涉及一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法。

背景技术

液压作动系统在现代飞机上被广泛采用，诸如舵机、助力器、变臂器、人感系统。发动机与电源系统的恒速与恒频调节以及火力系统中的雷达与炮塔的跟踪控制等大都采用了液压作动系统。但传统的液压作动系统具有总重量偏大，受攻击面积大，能量效率不高，可靠性和维护性低等缺点。随着材料技术、电机技术、电力控制技术以及先进制造技术的进步，采用功率电传(PBW，power by wire)的作动系统正逐步取代传统的液压作动系统。功率电传(PBW)作动系统不需要中央液压系统和遍布机身的液压管路，因而提高了作动系统的可靠性，可维护性。

电动静液作动系统(EHA，Electro-Hydrostatic Actuator)作为功率电传作动系统中的一种，具有转矩输出大，功率密度高，易于实现模块化等优点，在近些年中得到迅速发展。如图1a，典型的电动静液作动系统由以下部分构成：直流无刷电机控制器11、直流无刷电机驱动器12、直流无刷电机2、高速双向定量柱塞泵3、蓄能器4、一对单向阀5、旁通阀6、一对安全阀7、双作用对称液压缸8。电动静液作动系统的工作原理是通过直流无刷电机控制器11和直流无刷电机驱动器12调节直流无刷电机2的转速带动高速双向定量柱塞泵3的旋转，从而改变液压系统油液流速使双作用对称液压缸8两侧油路产生压力差，从而推动双作用对称液压缸8的运动。由单向阀5和蓄能器4组成的补油回路用来为系统补油，使得系统的压力不低于回路中蓄能器4的压力，防止油液中产生气隙现象。旁通阀6在系统出现异常的时候打开，断开双作用对称液压缸8两腔同高速双向定量柱塞泵3的连接。安全阀7用来防止系统内部产生过高的压力。液压管路9作为连接件，将双作用对称液压缸8、单向阀5、蓄能器4、旁通阀6以及高速双向定量柱塞泵3连接到一起。

为了便于对事物进行深入的分析和研究，有必要对该事物进行建模分析。得到事物的模型，就能够从事物运行的机理层面上运用数学的手法对其进行进一步的研究。同理，对电动静液系统的进一步研究也需要以其模型的搭建为基础。从电动静液作动系统结构中可以看出，电动静液作动系统是一个复杂的机电液伺服控制系统，由液压、机械、电气、控制等多学科构成，涉及学科复杂，学科间耦合严重，因此对其建模存在困难。目前较常用的针对电动静液作动系统的建模方法可分为两类，一种是使用数学手段，建立系统的传递函数，这种建模方法在建模过程中使用了简化和线性化的手段，得到的模型与实际系统有一定的差距；另一种建模方法是使用单一的建模仿真软件，但单一的建模仿真软件通常是针对某种学科而设计，但电动静液作动系统是一个机电液综合的控制系统，是一个多学科的综合体，使用针对单一学科或某几个学科的建模仿真软件对其进行建模时，往往在体现某单一学科特点的同时，忽视了其他学科。

此外，直流无刷电机部分是电动静液作动系统中重要的控制环节，电动静液作动系统的性能水平由该环节制约。在以往的建模过程中，往往将直流无刷电机部分使用通用的电机模型处理，但直流无刷电机同其他电机相比，有其自身的特点，在采用通用的电机模型在建立过程中，忽略了这些特点，因此会使得所建立的电动静液作动系统整体模型同实际系统相比，产生偏差，造成建模的不准确。

因此，能否建立完整精确的，同时又具有直观简单特点的电动静液作动系统模型成为电动静液作动系统研究发展的一个关键突破点。

发明内容

本发明的目的是克服使用传统建模方法对电动静液作动系统进行建模时存在的缺陷，提供了一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法。

一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法，包括以下步骤：

步骤一、将电动静液作动系统各组成部分按照学科特性进行划分归为四类：电气子系统、液压子系统、机械子系统和控制子系统；

其中，电气子系统包括直流无刷电机驱动器、直流无刷电机；液压子系统包括高速双向定量泵、单向阀、旁通阀、安全阀、液压管路、蓄能器以及双作用对称液压缸；控制子系统包括直流无刷电机控制器及其使用的控制算法；机械子系统包括双作用对称液压缸受到的外力；

步骤二、将步骤一中划分的四类根据相互的耦合强弱程度归为两大类：第一类为电气控制类，包括电气子系统和控制子系统；第二类为液压机械类，包括液压子系统和机械子系统；

步骤三、在建模软件MATLAB软件中建立电气控制类模型，针对电气子系统中的直流无刷电机及其驱动器在MATLAB中建立其精确模型；