专利名称：一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法
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la，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；步骤四、在建模软件AMESim软件中建立液压机械类模型步骤五、创建两大类模型之间的接口模块，完成电动静液作动系统模型的搭建；首先在AMESim中建立用于两大类模型联合和协同的接口模块，然后建立该接口模块同AMESim中建立的液压子系统模型的连接，经过AMESim软件编译，在MATLAB软件的 Simulink工具中以S函数的形式调用该接口模块，建立该S函数同MATLAB中建立的子系统模型的连接。所述的接口模块，它的输入为直流无刷电动机的转速和旁通阀的控制信号，输出为双作用对称液压缸两腔压力以及液压缸作用端的位移。本发明/实用新型的优点与积极效果在于(1)将电动静液作动系统按各组成部分的学科特点及相互之间的耦合关系分为两大类，并根据两大类各自的特点，分别选用MATLAB和AMESim软件搭建各自的模型，充分发挥两个软件在各自擅长领域内的建模优势，避免了繁杂的数学推导，简化了模型建立的过程。(2)针对电动静液作动系统中直流无刷电机及其驱动器，建立了其精确模型，该模型可以充分反映直流无刷电机及直流无刷电机驱动器在运行中的特点，使得基于电动静液作动系统的多学科建模方法建立的模型与使用传统建模方法建立的模型相比，更加准确， 更加符合实际系统的情况。
图Ia是典型的电动静液作动系统的结构示意图；图1是本发明的基于电动静液作动系统的多学科建模方法整体流程图；图2是本发明实施例电动静液作动系统各组成部分间信号流及按学科特性分类示意图；图3是本发明实施例搭建的电气子系统中直流无刷电机的霍尔传感器信号处理部分模型示意图；图4是本发明实施例搭建的电气子系统中直流无刷电机电子换相部分模型示意图；图5是本发明实施例搭建的电气子系统中除电子换相外其他部分模型示意图；图6是本发明实施例中在MATLAB中搭建的电气控制类的模型示意图；图7是本发明实施例中在AMESim中搭建的液压机械类的模型示意图；图8a是本发明实施例在AMESim中搭建的接口模块的示意图；图8b是本发明实施例接口模块在MATLAB中以S函数的形式调用的模型示意图；图9是本发明实施例传递函数方法搭建的电动静液作动系统模型示意图；图10是使用本发明的建模方法搭建的电动静液作动系统模型对给定正弦指令的响应曲线；图11是使用传递函数方法搭建的电动静液作动系统模型对给定正弦指令的响应曲线。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。如图1所示，本发明的基于电动静液作动系统的多学科建模方法的流程如下步骤一、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类按照电动静液作动系统各组成部分的学科特性，将直流无刷电机驱动器12、直流无刷电机2划分为电气子系统；将高速双向定量柱塞泵3、单向阀5、旁通阀6、安全阀7、液压管路9、蓄能器4以及双作用对称液压缸划8分为液压子系统；将直流无刷电机控制器11 及其使用的控制算法划分为控制子系统；将双作用对称液压缸8受到的外力划分为机械子系统。如图2所示为电动静液作动系统各组成部分间信号流及将其按照学科特性划分的四个子系统，其中，黑实框中的内容为电动静液作动系统的各组成部分，各黑实框之间的箭头表示各组成部分之间的信号流，箭头上的文字表示该信号流的类型，虚线框表示按照学科间关系对电动静液作动系统的分类，每一个虚线框的右下角说明该虚线框所表示的子系统。图2中，直流无刷电机控制器11将控制信号传递至直流无刷电机驱动器12，直流无刷电机驱动器12根据该控制信号产生驱动直流无刷电机2工作的电压，使直流无刷电机 2转动，输出转速，带动高速双向定量柱塞泵3工作，通过流量在单向阀5、旁通阀6、安全阀 7、液压管路9及蓄能器4中传递能量，最终使得双作用对称液压缸8运动，输出位移。在双作用对称液压缸8运动的过程中，会受到外作用力的影响，这些外作用力包括弹性力，摩擦力和阻尼力。按照电动静液作动系统各组成部分的学科特性，将直流无刷电机驱动器12和直流无刷电机2划分为电气子系统；将高速双向定量柱塞泵3、单向阀5、旁通阀6、安全阀7、 液压管路9、蓄能器4以及双作用对称液压缸8划分为液压子系统；将直流无刷电机控制器 11及其使用的控制算法划分为控制子系统；将双作动对称液压缸受到的外作用力划分为机械子系统。步骤二、将划分后的电气子系统、液压子系统、机械子系统和控制子系统根据相互的耦合强弱程度划分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，划分依据是电动静液作动系统的控制本质上是调节电气子系统中直流无刷电机2的转速来实现的，因此控制子系统同电气子系统的联系更为紧密，所以将这两个子系统归为一大类；第二类为液压机械类，包括液压子系统和机械子系统，划分依据是电动静液作动系统的输出形式为双作动对称液压缸8的位移和力，而工作环境中的外力也是通过双作动对称液压缸8作用到整个电动静液作动系统中的，因此将机械子系统和液压子系统归为一类。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2及直流无刷电机驱动器12在MATLAB中建立其精确模型。电气控制类模型包括电气子系统模型和控制子系统模型，其中电气子系统模型包括电机驱动器12和直流无刷电机2的模型，控制子系统模型指直流无刷电机控制器11的模型。在MATLAB软件中搭建电机驱动器12和直流无刷电机2的精确模型过程如下首先，在MATLAB软件中使用Simulink工具建立直流无刷电机2的电子换相过程模型。电子换相过程模型是直流无刷电机建模中最具关键性的一部分。直流无刷电机2同有刷电机的本质区别是使用电子换相取代了机械换相，其运行的原理是通过控制直流无刷电机2定子绕组中电流的通断，产生旋转的磁场，进而带动具有永磁铁的转子的转动。而定子绕组中电流的通断是通过判断直流无刷电机2的霍尔传感器的信号，根据一定逻辑控制直流无刷电机驱动器12中的功率开关的通断来实现的，这个过程称为电子换相过程。在本实施例中直流无刷电机2的霍尔传感器信号同直流无刷电机驱动器12功率开关的导通关系如表1所示，表1中ha，hb，h。代表霍尔传感器的A，B, C三相信号输出，具有两个状态，1 代表高电平输出，0代表低电平输出。直流无刷电机驱动器12通常为三相全控桥方式，具有 6个功率开关器件，Q1 ％分别代表上下桥臂的功率器件的开关信号，1为功率器件导通，0 为功率器件关断，每两个功率开关控制定子绕组中一相信号。表1中转向代表电机旋转的方向，分为有正转和反转两个方向。表1本实施例无刷直流电机霍尔传感器信号与直流无刷电机驱动器功率开关导通信号对应关系
权利要求
1.一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一、分析电动静液作动系统的结构组成及信号流，将电动静液作动系统各组成部分按照学科特性划分为四类电气子系统、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子系统根据相互之间耦合关系的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驱动器和直流无刷电机在MATLAB中建立精确模型； 步骤四、在建模软件AMESim软件中建立液压机械类模型； 步骤五、创建两大类模型之间的接口模块，完成电动静液作动系统模型的搭建； 首先在AMESim中建立用于两大类模型联合和协同的接口模块，然后建立该接口模块同AMESim中建立的液压子系统模型的连接，经过AMESim软件编译，在MATLAB软件的 Simulink工具中以S函数的形式调用该接口模块，建立该S函数同MATLAB中建立的子系统模型的连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法，其特征在于，对步骤二中所述的四类子系统进行划分的依据为(一)电气控制类，依据电动静液作动系统的控制本质上是调节电气子系统中直流无刷电机的转速来实现的来划分；(二)液压机械类，划分依据电动静液作动系统的输出形式为双作动对称液压缸的位移和力，而工作环境中的外力也是通过双作动对称液压缸作用到整个电动静液作动系统中。
3.根据权利要求1所述的一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法，其特征在于，步骤三所述的直流无刷电机驱动器和直流无刷电机在MATLAB中建立精确模型的方法为(1)首先，在MATLAB软件中使用Simulink工具建立直流无刷电机的电子换相过程模型，所述的直流无刷电机的电子换相过程模型，包括直流无刷电机正转电子换相过程模型和反转电子换相过程模型，电子换相过程模型的建立方法为第一步、建立霍尔传感器信号同定子绕组中电流的对应关系模型；第二步、建立定子绕组电流同直流无刷电机驱动器的功率器件导通信号之间的对应关系模型；第三步，连接第一步和第二步的两部分模型；使用MATLAB中Simulink工具中的用户自定义模块对所搭建的直流无刷电机电子换相过程模型进行封装，电机旋转方向信号输入模块输入电机旋转方向的信号给开关模块，并通过开关模块判断直流无刷电机转子的旋转方向，根据判断的结果选择使用正转电子换相过程模型还是反转电子换相过程模型；(2)然后，使用MATLAB软件的Simulink工具模拟电气系统库中的元件来搭建不包含直流无刷电机电子换相过程模型的直流无刷电机及其驱动部分模型，具体是直流无刷电机驱动器使用功率桥模块搭建，该功率桥模块的输入为直流无刷电机电子换相过程模型输出的直流无刷电机驱动器功率器件导通信号与经过电压源模块转化的直流无刷电机转速指令输入信号；直流无刷电机模型使用永磁同步电机模块搭建，永磁同步电机模块的输入为功率桥模块输出的三相电流信号以及一个使能信号，使能信号通过阶跃信号模块实现，永磁同步电机模块的输出为霍尔传感器信号以及直流无刷电机的转速信号，其中转速信号需要经过增益模块将弧度变为转速；(3)最后，对不包含直流无刷电机电子换相过程模型的直流无刷电机及其驱动部分模型进行封装与封装后的直流无刷电机电子换相过程模型一起完成电动静液作动系统的电气控制类模型的搭建。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法，其特征在于，所述的步骤三中建立电气控制类模型，其中控制子系统模型的建立过程为直流无刷电机转速指令给定模块给定的直流无刷电机转速指令信号分为两路，一路作为直流无刷电机电子换相部分模型中的电机旋转方向信号输入模块的输入，一路同不包含直流无刷电机电子换相过程模型的直流无刷电机及其驱动部分模型中输出的直流无刷电机转速信号做比较得到系统误差，所作比较的两个信号都通过绝对值模块转换为正值来进行比较，所得到的系统误差经过比例积分PI控制算法模块，作为不包含直流无刷电机电子换相过程模型的直流无刷电机及其驱动部分模型中的直流无刷电机转速指令信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法，其特征在于，步骤四所述的在建模软件AMESim软件中建立液压机械类模型，具体为高速双向定量泵模型在搭建时单独考虑自身的内泄漏和外泄漏影响；双作用对称液压缸模型在搭建时综合考虑液压缸体质量、活塞质量以及活塞同液压缸壁之间间隙和摩擦力的影响，通过使用AMESim软件中分立的元件搭建；在双作用对称液压缸受外作用力的影响模型在搭建时考虑机械结构受力以及受到空气阻力的情况，在AMESim软件中搭建的液压机械类模型。
6.根据权利要求1所述的一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法，其特征在于，步骤五中所述在AMESim中建立的接口模块，它的输入为双作用对称液压缸两腔压力以及液压缸作用端的位移，输出为直流无刷电动机的转速和旁通阀的控制信号。
全文摘要
本发明提出一种基于电动静液作动系统的多学科建模方法，首先将电动静液作动系统各组成部分按照学科特性划分为电气子系统、控制子系统、机械子系统和液压子系统4类，将前两类归为电气控制类，将后两类归为液压机械类，然后分别在MATLAB软件中建立电气控制类模型，在AMESim软件中建立液压机械类模型，最后创建两大类模型之间的接口模块，完成电动静液作动系统模型的搭建。本发明选用MATLAB和AMESim分别搭建两类模型，充分发挥两个软件在各自擅长领域内的建模优势，简化了建模的过程，建立了精确的电机驱动及直流无刷电机模型，与使用传统建模方法建立的模型相比，更加准确，更加符合实际系统的情况。
文档编号G05B17/02GK102436187SQ20111038197
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月25日 优先权日2010年11月26日
发明者李凯, 王少萍 申请人:北京航空航天大学