高速冲击试验机液压控制系统研究

张日新，王野牧，刘 帅

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 引言

船舰及其舰用设备抗冲击能力是衡量船舰生命力和战斗力的重要指标。世界各海军强国对重要船舰设备抗冲击能力考核方法进行了广泛深入的研究，主要的试验手段是冲击试验。目前，我国海军迫切需要在抗冲击性能考核评估手段方面接近或达到国外先进水平，且能够准确模拟高速冲击的试验机[1-3]。因此，本文对高速冲击试验机液压控制系统进行了设计与研究。

1 高速冲击试验机液压系统组成及原理

高速冲击试验机液压系统主要由冲击系统和制动系统两部分组成，如图1所示。高速冲击试验机通过上试验台与下冲击台的高速撞击来模拟舰艇所受冲击，为确保试验台与冲击台撞击后有较大的速度改变量，即加速度，必须保证二者在有限时间内达到规定速度[4]。采用电机泵组加蓄能器作为动力源，伺服阀直接驱动伺服油缸，并通过闭环位置控制的方式确保冲击台在短时间内达到规定速度。在试验台上固定两根弹力绳保证试验台有足够的初速度，确保试验台也能达到规定速度。为避免试验台与冲击台撞击后产生二次碰撞，使用比例阀直接驱动制动油缸，瞬间锁紧工作台，此过程属开关量控制不是本文研究重点。

1-电机泵组；2-单向阀；3-压力管路过滤器；4-截止阀；5-皮囊式蓄能器；6-压力表；7-溢流阀；8-两位两通电磁换向阀；9-比例伺服阀；10-制动油缸；11-活塞式蓄能器；12-提升油缸；13-行程开关；14-叠加式双单向节流阀；15-叠加式减压阀；16-三位四通电磁换向阀；17-三级伺服阀；18-可调阻尼孔；19-伺服油缸；20-风式冷却器；21-回油过滤器

根据实际工况需要，冲击试验机技术指标如下:

(1) 冲击台在250 ms内速度达到4.137 m/s，并在之后的50 ms内保持匀速。

(2) 冲击台与试验台撞击后，冲击加速度可达1 200g。

2 高速冲击试验机液压控制系统模型建立

2.1 伺服阀模型建立

冲击试验机选择的伺服阀为MOOG公司D663系列D663-P03HAMF4NSD2-O型三级电液伺服阀。阀芯满行程响应时间为13 ms，阀芯行程越短，响应时间越短；当阀两端压降为106Pa时，额定空载流量为350 L/min。为准确模拟三级电液伺服阀特性，在AMESim软件中建立的三级电液伺服阀模型如图2所示，模型中伺服阀主要参数如表1所示。使用AMESim软件绘制出该阀的特性曲线，如图3、图4所示，经对比与阀样本给出的曲线高度吻合。

1-先导油口；2-节流口；3-喷嘴；4-挡板；5-力矩马达；6-校正；7-输入信号；8-先导阀；9-主功率滑阀；10-位移传感器

表1 三级电液伺服阀参数

由于三级电液伺服阀在AMESim 中所占面积较大，影响后续建模，在之后的仿真中将该阀做成超元件。

2.2 闭环位置控制系统模型建立

高速冲击试验机闭环位置控制系统包括前馈补偿控制、传统PID闭环位置控制和加速度校正控制三部分，其系统框图如图5所示。前馈控制策略是通过控制器提前生成目标曲线，控制伺服油缸跟随目标曲线运动，在PID未刷新控制信号前，提前计算出目标速度及加速度，不需等待PID对偏差信号处理，直接将控制信号输出至伺服油缸，可有效提高控制精度和系统响应，但可能会造成震荡，于是引入加速度校正，增大系统阻尼比，使冲击系统具有更好的控制效果[5，6]。

图5 高速冲击试验机闭环位置控制系统框图

搭建的高速冲击试验机冲击系统仿真模型如图6所示。闭环位置控制系统为阀控缸系统，将图6中的弹簧垫12和试验台13去除就构成了阀控缸系统模型。

1-控制信号；2-油液元件；3-加速度前馈；4-速度前馈；5-PID；6-管接头；7-阻尼孔；8-伺服油缸；9-冲击台；10-加速度传感器；11-位移传感器；12-弹簧垫；13-试验台；14-三级电液伺服阀；15-蓄能器组；16-电机泵组；17-溢流阀

3 高速冲击试验机液压控制系统仿真分析

设定液压系统各元件参数并进行仿真，液压系统主要元件参数如表2所示。

表2 液压系统主要元件参数

根据设计指标需控制冲击台运动速度，故先不考虑试验台与冲击台的撞击，只仿真闭环位置控制系统，采用Ziegler-Nichols法[7]确定出最优PID参数：比例系数为0.025，积分系数为0.05，微分系数为0。冲击台在不同算法下的位移、速度曲线分别如图7、图8所示，0.25 s～0.3 s的速度曲线放大如图9所示。

图7 冲击台在不同算法下的位移曲线

由图7可看出：采用经典PID控制的系统，滞后较大，稳定性较差，在0.3 s后出现震荡，且跟踪效果不佳；而采用复合控制的系统，响应略快且稳定性更好。由图8、图9可看出：采用PID控制的系统速度波动较大，速度误差较大；而采用复合速度控制的系统，速度误差小、波动小，且无震荡。因此，复合控制与传统PID控制相比，具有更好的控制效果。

对整个冲击系统进行仿真，冲击台与试验台撞击后的冲击加速度曲线如图10所示。由图10可看出:最大冲击加速度为12 086 m/s2，约为1 209g，符合设计指标要求。但在实际设备中，仍会存在一些非线性因素导致误差加大，综合仿真结果来看，研究的高速冲击试验机液压控制系统有能力达到预期控制指标。

4 结论

(1) 根据冲击试验标准，对冲击加速度可达1 200g的高速冲击试验机液压控制系统进行了设计与研究。

(2) 采用蓄能器储存并瞬间释放能量的方式，使系统在短时间内受到瞬态激励，导致位置、速度和加速度瞬间发生变化，可模拟出准确的正波冲击。

(3) 与传统PID控制相比，高速冲击试验机液压控制系统采用PID闭环控制、速度前馈控制、加速度前馈控制及加速度校正复合控制可达到更好的控制效果。