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第1章绪论
课题来源及背景
自20世纪下半叶以来,世界科学技术进入高速发展阶段,以信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、航天技术和海洋开发技术为代表的一大批高新技术群体取得了突破性的进展,使世界范围内的军事、生产、生活、科学技术活动发生了日新月异的变化,推动人类进入一个高速发展的历史时期,科学正以空前的规模和速度推动着经济的发展和人类的进步。其中,航天技术的进步和发展尤为最快、创新最多、最令人瞩目,航天技术是世界科技进步的主要成果之一。
航空航天技术的发展和应用是一国军事、科技实力的体现,是国家安全的保障,也是国际威望的象征。
随着航天技术的发展,尤其是载人航天技术的发展,飞行器空间对接技术已经成为一个重要的研究方向,空间对接技术是载人航天的关键技术。飞行器空间对接是航天领域一项非常复杂、难度很大的工作。
美国和前苏联在20世纪60年代就开始了空间对接技术的研究。1966年3月16日,美国双子星座8号载人飞船和阿金纳飞行器在宇航员的参与下实现了人类历史上的首次空间交会对接。欧空局在20世纪80年代开始了航天器的交会对接研究和地面试验,立足于实现自主自动的在轨交会对接。日本从20世纪70年代初就开始了航天器的空间交会对接技术研究,也立足于实现自主自动的在轨交会对接,并且在1998年7月和8月先后两次成功地进行了“工程试验卫星”无人自动交会对接,成为世界上第三个实现空间交会对接的国家。随着世界航天工程的进展,我国对空间对接技术的研究已迫在眉睫,国内部分高校和科研机构在这方面的研究相继取得了一些成果。
由于实际的对接过程发生在外层空间,且对接过程和对接机构非常复杂,包含了运动学、航天器控制、飞行器设计、碰撞、结构限制等问题,完全实地地进行全物理仿真在费用和技术上对目前的科技水平都是一个巨大的挑战。因此,为保证空间对接的顺利进行,需要研制对接模拟装置,用以模拟飞行器的空间运动姿态和对接的动力学模型。
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对接模拟装置的国内外研究现状
对接模拟装置主要完成两个方面的任务,一是对接敏感器性能与控制方法的测试,二是对接机构性能与对接动力学特性的测试。为达到这个目的,各国采用的方案也不尽相同。
俄罗斯的试验设备主要有两种,一种完成无线电对接敏感器性能和控制算法的测试,其仿真距离变化可达到几公里甚至几十公里;另一种是对接动力学仿真器,它采用两个六自由度Stewart并联平台作为运动模拟器,模拟主被动飞行器的运动。
美国国家航空航天局(NASA)设计建造了两套用于对接的试验设备,其一是空间机器人实验室建造的八自由度遥控操作机器人评估设备(TOREF),它完成对激光雷达对接敏感器和基于此敏感器的控制算法的仿真测试;另一种是用来测试对接机构和停靠、对接过程动力学特性的六自由度动力学试验系统(DDTS),它由一个液压驱动的六自由度Stewart并联平台作为运动模拟器,模拟两飞行器之间的相对运动,运动范围±、±25度,负载能力2000磅,液压系统带宽为8Hz。
欧空局研制的仿真设备有两个:近距离九自由度仿真器(EPOS)和对接动力学测试设备(DDTF)。近距离九自由度仿真器(EPOS)由龙门架式六自由度运动模拟器和三自由度目标模拟器构成,其核心工作是敏感器和控制算法的测试;对接动力学测试设备(DDTF)由水平放置的六自由度电机驱动的Stewart并联平台运动模拟器和带有六自由度力、力矩传感器和目标模拟器构成,其对接的仿真原理与美国的TOREF和DDTS类似,运动范围5××,5×5×5度,精度1mm,,系统带宽6Hz,载荷5000N。
日本国家空间开发署(NASDA)建造了一种复合型对接动力学仿真器,它由一个追逐器和一个目标器构成,追逐器通过六自由度力、力矩传感器固定在框架上,目标器上水平安放一个由电机驱动的六自由度Stewart并联平台作为运动模拟器,其运动范围7××2m,10×40×40度,精度1~2mm,°,机械系统带宽为5Hz。
我国在对接机构方面的研究起步较晚,自1987年开始从事交会对接技术的研究工作,但前期的研究主要限于对前苏联和美国在对接中积累的宝贵经验和成果的消化吸收上。随着
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“921”二期工程全面展开,特别是神五、神六载人飞船的成功发射与回收,对接机构的研究已经进入工程实施阶段。“921-3”国家载人航天计划重点项目“空间对接半实物仿真综合试验台的研制”中拟定采用液压驱动的Stewart平台结构作为运动模拟器,它从运动原理上讲属于六自由度并联机构。“Stewart平台”“APlatformwithSixDegreesofFreedom”的论文中首次提出来的。Stewart平台自问世以来,以其特有的结构紧凑、运动精度高、刚性好、运动平稳、载荷自重比高等优点,被许多科研工作者注意,成为一个颇为活跃的领域。在机械加工、主动减振装置、飞行模拟器、太空捕捉器等空间要求较小的领域得到了广泛的应用。
研究方案
在本课题中,对接模拟装置由上下两个平台组成,上平台代表被动对接飞行器,下平台代表主动对接飞行器。上平台固定不动,用下平台的运动来模拟两个飞行器的相对运动。下平台的驱动可以通过机械、电气、气动、液压等驱动方式来实现。液压伺服驱动既能控制很大的惯量、产生很大的力和力矩,又具有结构紧凑、刚度好、响应快、精度高等优点。因此,对下平台运动的控制采用液压伺服控制系统,用单出杆电液伺服阀控缸作为动力机构。
液压伺服系统又称为液压控制系统或液压随动系统,是由液压技术和控制技术相结合而产生的一个技术领域。
近几十年来,许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率—重量比和大功率液压控制系统的需求不断扩大,促使液压控制技术迅速发展。特别是控制理论在液压系统中的应用,计算机电子技术与液压技术的结合,使这门技术不论在元件和系统方面、理论与应用方面都日趋完善和成熟,并形成为一门学科,成为液压技术的重要发展方向之一。目前,液压控制技术在冶金、机械等工业部门,飞机、船舶等交通部门,航空航天技术,海洋技术,近代科学实验及武器控制等领域得到了广泛的应用。
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一个液压控制系统无论多么复杂,都是由一些基本元件组成的,可用图1-1的方块图来表示。
图1-1液压系统组成框图
从框图中可以看到,液压控制系统主要有以下元件组成:
(1)指令元件:向系统发出指令信号的装置。
(2)反馈元件:检测被控量,将系统的输出转换为反馈信号的装置。
(3)比较元件:相当于偏差检测器,它的输出等于系统输入和反馈信号之差。
(4)液压放大与控制元件:接受偏差信号,通过放大、转换与运算产生所需要的液压控制信号,控制执行机构的运动。
(5)液压执行元件。
(6)控制对象:接受系统的控制作用并将被控制量输出。
(1)按控制信号的类别和伺服阀的类型分为机液伺服系统、电液伺服系统、气液伺服系统。
(2)按液压功率放大器的类型分为阀控液压伺服系统和泵控液压伺服系统。
(3)按负载运动性质及输出量的物理量分为液压位置伺服系统、液压速度伺服系统、液压加速度伺服系统、液压力(压力)伺服系统。
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(4)按检测元件的输出量形式及信号处理手段分为模拟式液压伺服系统和数字式液压伺服系统。
液压控制系统与其它类型系统相比,具有以下优点:
(1)易于实现直线运动的速度、位移及力控制。
(2)驱动力、力矩和功率可很大。
(3)尺寸小、重量轻,加速性能好。
(4)响应精度高。
(5)控制精度高。
(6)稳定性容易保证。
液压控制系统的缺点主要有:
(1)液压油易受污染。
(2)液压伺服系统成本高。
(3)系统的分析、设计、调整和维护需要高技术。
综上所述,液压控制系统具有结构紧凑、功率大、精度高和快速响应的突出特点。因此,在那些能充分发挥其特点并显示出优势的领域便得到了迅速地发展和应用。另一方面由于自身的弱点,也受到一定的限制。
空间对接模拟装置用于模拟空间两个飞行器的对接动力学过程,其整体系统的大回路由对接机构、测量系统、控制系统、航天器位姿动力学模型、执行系统组成。如图1-2所示。
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图1-2飞行器对接模拟装置示意图
该模拟装置的工作原理是:运动平台(下平台)在控制系统的引导下,根据给定的对接初始条件运动到对接机构首次接触位置。测力系统开始测量由于对接机构接触碰撞所引起的接触碰撞力、力矩以及对接缓冲系统所引起的缓冲力、力矩。然后对这些作用力、力矩由数学仿真器变换为作用在主动对接机构和被动对接机构上的作用力、力矩,并计算两个对接飞行器的位置姿态变化,得到航天器的相对运动。该相对运动信息传递给控制系统,使主、被动对接机构以一定的速度相对运动,从而达到用该平台模拟飞行器相对运动的目的。
本设计的主要研究内容
本次设计的主要内容是对对接模拟装置单缸控制系统的设计,通过研究非对称电液伺服阀控制非对称伺服液压缸动力机构的特性,提出用此动力机构来驱动模拟装置运动平台的合理性及意义。
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第2章阀控缸动力机构的分析
在液压伺服控制系统中,为了节省工作空间及其它一些性能方面的要求,一般都采用非对称液压缸。它与对称液压缸相比,其液压固有频率将有所不同,且由于两个运动方向上系统的开环增益不等以及某些参数的变化,使得两个方向上的动态特性不对称,且主要表现在超调量、上升时间和稳态误差三个方面。因此本设计提出用非对称电液伺服阀控制非对称液压缸的方案,以解决上述阀控缸系统的不足。
本章首先依据非对称动力机构的特点,对非对称动力机构的负载流量、负载压力作了比较合理的定义,以此为基础,建立了非对称液压动力机构正反两个运动方向上的输出位移和工作压力的数学模型,并对其特性进行分析。
阀控缸动力机构的结构简图如图2-1所示。
图2-1阀控缸动力机构的结构简图
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定义非对称阀的阀芯窗口面积梯度比为:
(2-1)
式中——非对称阀1、2阀芯窗口的面积梯度;
——非对称阀3、4阀芯窗口的面积梯度。
当=1时为对称阀,当时是非对称阀。
定义非对称缸有杆腔和无杆腔的面积比为:
(2-2)
式中——非对称缸无杆腔的面积,;
——非对称缸有杆腔的面积,。
在进行液压动力机构的研究时,假定:
1)阀为理想零开口四通滑阀(即阀无泄漏),四个节流窗口匹配且对称;
2)节流窗口处的流动为紊流,液压缸内、外泄漏为层流流动,流体压缩性的影响在阀中可以忽略;
4)阀具有理想的响应能力;
5)供油压力恒定不变,回油压力;
6)忽略管道损失及管道的动态特性。
传统的阀控非对称缸动力机构中对负载压力与负载流量的定义如下:
(2-3)
式中、——液压缸无杆腔和有杆腔的压力,Pa;
、——液压缸无杆腔和有杆腔的流量,。
式(2-3)的定义对对称缸来说符合实际情况,但对非对称缸来说既不适合也不正确,必须以实际情况对其给予修正。
在非对称动力机构中,根据活塞的受力分析(以活塞的伸出运动为例),可得:
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(2-4)
式中——活塞输出的负载力,N;
>,故在定义负载压力时应考虑到液压缸两腔的有效工作面积不相等,据此,定义负载压力如下:
(2-5)
同理,在活塞反向运动时,定义负载压力为:
(2-6)
式中——液压动力机构的负载压力,Pa;
因为对非对称液压缸来说,在换向前后左右两腔的流量不相等,再按式(2-3)来定义,不能正确的反映负载流量的变化,也是不合适的。考虑到非对称缸系统在正反向工作时,进出伺服阀或液压缸的流量不同,所以对具有非对称液压缸的系统,伺服阀的负载流量可定义如下:
(2-7)
综合前面的分析,非对称阀控制对非对称缸系统的负载压力和负载流量的定义应为式(2-8)和(2-9)。
(2-8)
(2-9)
因此在非对称动力机构建模时,应按式(2-8)和(2-9)来定义负载压力和负载流量。
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(1)伺服阀两控制窗口的流量方程分别为:
(2-10)
式中——流量系数,无因次;
——阀芯位移,;
——系统供油压力,;
——油液的密度,。
(2)根据流量连续方程,得到液压缸两腔的流量方程为:
(2-11)
式中——等效弹性模量,;
——非对称缸无杆腔的受控容积,;
——非对称缸有杆腔的受控容积,;
——液压缸的内泄露系数,;
——液压缸的外泄露系数,。
定义油缸无杆腔和有杆腔的受控容积分别为:
(2-12)
式中——非对称缸无杆腔的初始容积,;
——非对称缸有杆腔的初始容积,;
——活塞的位移,。
于是,得: