2022年飞机舵机系统设计平台 .pdf

《2022年飞机舵机系统设计平台 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年飞机舵机系统设计平台 .pdf（13页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、航空舵机系统工程1.前言飞行器依靠操纵面的摆动产生空气气动力或力矩，从而改变飞行器的飞行姿态。由于现代飞行器的性能大大提升，空气动力和操纵特性较传统更加复杂，自动驾驶/操纵控制回路的引入不可避免，电传操纵势在必行。而对于无人飞行器（无人机，导弹等），则只能依靠电传的形式实现操纵。因此，舵机（伺服作动器）就成为目前大多数飞行器气动操纵面的主要执行机构。传统的人力机械传动操纵机构作为有人驾驶飞行器的冗余/备份操纵系统使用。从工作原理来看，航空舵机一般分为液力和电动两种。作动形式以位置伺服为主。液力舵机使用静液传动的形式将泵源的机械能转变为舵机的动作。使用各种流量控制阀控制液压能量。流量控制阀多数为

2、电液元器件（也有纯机械作动的），因此液力舵机可认为是电传执行元件。液力舵机具有惯性小，相应快，功率大的优点；也存在结构复杂，维护麻烦等不足。液力舵机已经过多年应用，成熟可靠，是大多数载人航空器的操纵执行装置。气动舵机与液力舵机的工作原理相近，在某些导弹和无人飞行器上得到应用，在有人驾驶航空器上则很少应用。随着功率电子和驱动技术的发展，电动舵机也在近些年迅速发展。电动舵机直接利用机载电源，无需另设能源供给形式，大大简化了系统，增强了适应性和维护性；而且电机等机电元件的发展也提高了电动舵机的带载和响应能力。目前，电动舵机多用在无人机和导弹上，载人飞行器上也有少量应用。2.舵机系统设计概述舵机是一个

3、包含机械结构，液压元件，机电元件和电子控制装置的机电液一体化系统。舵机系统的分析和设计涉及多个工程学科领域。从完成的功能角度来看，舵机也可分为不同的部分。对舵机的分析和设计必然是多种方法和工具的综合使用。舵机的设计指标包括基本性能指标（行程，驱动能力，响应速度），结构尺寸（体积，重量，安装方式）和与产品寿命，维护性，其他系统之间配合（散热）等相关的指标。液力舵机和电动舵机构造和工作原理不同，响应结构和设计内容都存在着显著差异。下面就两种类型系统阐述基本设计内容，后续章节将对所涉及的工具和过程/方法进行介绍。2.1.液力舵机构成和设计内容构成液力舵机一般由机械结构，流体控制元件，伺服控制器，油缸

4、等组成。液力舵机利用机载油泵产生的高压油液，在流体控制元件的控制下，以静液传动的方式推动油缸活塞运动，进一步推动与活塞相连的传动杆系，使舵面产生伺服运动。伺服控制器是个电子装置，接受反馈元件测量得到的油缸活塞位置，并与飞控系统发出的伺服指令信号比较，经过控制算法处理，形成电液伺服阀的控制电信号。设计液力舵机的设计主要是机械零部件部分和伺服控制器的设计。机械零件部分则主要是流体机械油路，油缸，伺服阀和其他流体控制元件。机械设计的基本工具是CAD 类型的绘图工具，最终形成产品组成零件的几何造型和尺寸，供加工使用。流体机械部分的设计是液力舵机设计的核心，必须基于对流体系统的特性分析进行。由于舵机的专

5、用性，整个流体机械系统部分和其中的元件（伺服阀，油缸等）均需分别设计。设计通常先按一定工程经验给出基本设计，然后通过使用一维流体CAE 工具作的系统仿真对基本设计进行验证，根据结果进行必要的调整，直到形成最终的流体机械结构参数和图纸。需要指出，流体机械的发热将极大影响系统的性能和稳定性（包括整机液压回路），其计算也在一维流体 CAE 工具中进行。除了流体机械外，机械设计还包括备份操纵机构和机械冗余表决解算装置等。这些都是名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 13 页 -运动机构部分，其运动形式/效果也是基于工程经验给出初步设计，利用机构动力学CAE 工具仿真的方法验证设

6、计并给出修改意见。机械设计还有一部分针对零件自身的计算任务，即各个零件根据工作时的载荷条件进行强度校核。以此确认合理的零件结构形式，材料和相关的加工工艺。同时还有零部件热传导方面的考虑。分析所用的数理方法一般是有限元法（FEM）,可借助相应工具开展。伺服控制器负责综合反馈信号和控制指令信号，形成电液流体控制元件的驱动信号。伺服控制器使用模拟或数字式的电子电路实现，其设计一般包括两个部分控制功能和硬件实现。控制功能实现按基本控制设计经验形成算法，通过全系统仿真验证。控制算法的开发需要同时结合流体机械和其他机构部分的仿真模型进行，适当调整后成为最终算法模型（其中包含冗余控制算法）。根据理论控制模型

7、（算法），可以用模拟或数字式的电子电路形式实现。硬件实现过程可使用各种EDA 工具。为了降低硬件（含代码编写任务）开发本身的风险和成本（时间，物质的），控制算法在成为具体产品硬件之前，还需通过一定的硬件原型在实验台架上予以确认和调整。这一过程可借助快速控制原型进行。需要指出的是，所有这些分系统的设计参数相互依赖和影响，分系统的设计均不能完全独自进行，需要相互配合才能达成。2.2.电动舵机构成和设计内容构成电动舵机一般由机械结构，电机，传动系统（一般为齿轮系），功率驱动和伺服控制器等组成。电动舵机直接使用机载发电机产生的电力，在伺服控制器作用下经过功率驱动变为合适的电压/电流，驱动电机转动。由于

8、电动机相对液压执行机构的输出力/力矩要小，所以还需经过适当的齿轮减速后输出。伺服控制器是电子装置，接受动力输出端反馈元件测量得到的转角/位移并与飞控系统发出的伺服指令信号比较，经过控制算法处理，形成功率驱动部分的控制电信号。动力输出端带动舵面产生伺服运动。设计电动舵机设计包括机械零部件（主要是壳体和传动系），电机本体，功率驱动和伺服控制器。电动舵机壳体设计根据传动系和电机安装空间等要求安排。传动系配合电机一起设计。壳体部分使用 CAD 工具进行。同液力舵机一样，也需通过FEM 工具对机械零件进行强度校核。传动系统设计除了传统CAD 内容外，还需借助专门工具对传动性能进行评估（寿命，平稳性），包

9、括传动比，间隙，摩擦，啮合应力和冲击等。由于专用性，电机本体也需专门设计。出于寿命，可靠性和维护性考虑，目前以使用永磁直流无刷电机为主。电机设计以电磁场的分布和相互作用为基础的计算。电机的分析和设计有专门的理论和工具，并需要同传动系和舵机性能指标配合设计。电机和传动系的所有机械部分在设计结束时以CAD 图纸的形式输出，供加工使用。同液力舵机相似，机械备份操纵机构和冗余表决解算装置，也要利用机构动力学CAE 工具仿真的方法验证设计并给出修改意见。零件自身的强度校核同样借助有限元法（FEM）和相应工具进行，确认合理的零件结构形式，材料和相关的加工工艺。伺服控制器负责综合反馈信号和控制指令信号，形成

10、电机控制信号。设计和实现过程与液力舵机伺服控制器类似。电动舵机的伺服控制器输出提供给电机功率驱动驱动单元，最终推动电机运转。出于开发风险和成本（时间，物质）的考虑，控制算法在产品化之前，需通过快速控制原型在实验台架上予以确认和调整。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 13 页 -功率驱动是实现电机有效运转的重要保证，它一般是由开关形式工作的电力电子元器件和驱动这些器件的调速控制器组成。即电机本身的调速驱动控制也是一个闭环控制系统（这一点与伺服阀本体的工作形态类似）。功率驱动属于强电型功率电子电路，硬件实现使用 EDA工具；而功能验证则需通过局部系统仿真验证。设计功率驱

11、动时不仅要考虑电机的调速和负载能力，还需要考虑对电源的反向影响，减少干扰。目前，功率驱动回路以数字式为主。同样，产品化之前，也需通过快速控制原型在予以确认和调整。同液力舵机不同，电动舵机具有传动系（前者为直接驱动输出），对其整体性能影响较大，也造成各个部分动态特性之间的相互耦合比较紧密。因此各个设计环节必须密切配合，通常通过模型提取和联合仿真的方式对整个电动舵机设计评估。验证伺服控制和功率驱动的快速控制原型实验在此也将发挥重要作用。2.3.分析/设计工具及其相互接口目前已有多种工具软件针对舵机分析和设计过程中的不同专业应用。2.3.1.CAD 工具机械 CAD 工具主要完成零部件的图纸绘制。图

12、纸表达了零件的几何构造和尺寸，和其他零件的装配关系以及运动副的连接关系（即相对的运动约束关系）。CAD 图纸模型经过一定处理可将设计信息提供给动力学建模环境，构建动力学模型。几何造型也可以提供给有限元分析程序进行强度校核。常用的 CAD 工具 UG，CATIA，Pro-E 等。它们都可以生成标准的数据交换文件格式。2.3.2.结构强度 FEM 工具结构强度计算一般基于有限元分析方法（FEM）进行，主要完成两个任务。1、零件的应力分析，即计算在工作极限载荷作用下（力，力矩，流体压力等），零件内部的应力分布，由此确定CAD 设计内容的调整，材料，加工工艺并推算零件的寿命等。2、有限元模型假设机械零

13、件为可变形的弹性体，因此可以从其中提取零件的柔性体模型（零件在载荷作用下会变形，在交变载荷作用下会振动）。提取的模型可用于替代动力学分析所用的纯刚性体零件模型，用以考察机械结构柔性对系统特性的影响。有限元分工具有 Ansys，Nastran，Abaquas等。分析结果通过适当的后处理工具进行观察或是数据转换，以应用在其它分析环境中。2.3.3.传动系 CAE 工具传动系分析和设计专门针对动力传动机构，即齿轮啮合过程。其分析可以分为两个方面。1、整个齿轮啮合传动系的传动平稳性，由于啮合间隙产生的冲击，摩擦（发热）问题等等动力学过程。2、齿轮本体在传动啮合过程中所受到的载荷以及应力分布，用于评估齿

14、轮极限载荷和寿命等指标。根据不同应用侧重，相应分析工具也不尽相同。考察 传动 性 能 时，须构 建 整 个传 动系 的 动 力学 模型，这可 使 用 Ricardo/Valdyn，Simulink/Simdriveline 等软件完成。传动系动力学模型可进一步与机构动力学，电机和控制系统模型相结合，考察动力系统整体动态性能。考察齿轮啮合特性和动态载荷分布时，可使用Romax 齿轮传动专业分析软件。可详细给出齿型，几何尺寸等对载荷分布，传动平稳性和冲击（噪声）的影响。分析中多使用有限元模型计算。传动系建模分析工作在电动舵机的设计过程中占有较大的任务量，液力舵机一般没有齿名师资料总结-精品资料欢迎

15、下载-名师精心整理-第 3 页，共 13 页 -轮传动系，此类分析工作量较小。2.3.4.机构动力学 CAE 工具动力学分析是采用建立机械运动机构的动态模型，通过仿真考察系统动力学特性。主要研究：1)机构的运动特性，包括运动轨迹，速度，加速度等信息。运动干涉检查在此完成。2)机构系统中每个零件所承受的动态载荷。这一分析结果将作为零件强度校核的边界条件。舵机上的机构系统功能主要是机械备份操作装置和机械余度装置（表决机构），通过动力学仿真可以考察当前机构设计下的实际机械行为和动态载荷，对机械备份和余度装置的功能，寿命和可靠性检验具有重要意义。动力学仿真工具使用CAD 图纸的零件几何参数和铰链连接关

16、系定义，基于物理系统组合方式描述机械结构，软件自动提取动力学方程并进行计算，输出结果为运动参数和各零件的载荷指标。柔性体零件模型应用于机构动力学模型时，可考察机构系统在动态交变再和作用下的变形和振动问题。动力学仿真模型还可以为电气/液压作动部分提供动态载荷模型，用以考察系统的闭环性能并辅助控制算法开发。这时通常需要综合机构动力学，流体机械，机电元件和控制系统的模型进行综合仿真。动力学常用的工具软件有ADAMS，Simulink/Simechanics等。2.3.5.一维流体 CAE 工具液力舵机以静液传动原理工作，可使用一维流体模型方式建模分析。流体的流动和控制特性直接决定了液压元器件的选择/

17、设计和其他机械结构部分。一维流体模型同控制系统模型类似，属于集总参数模型，底层运算形式为微分方程。专业的液压系统一维流体分析工具直接提供了液压系统元件的参数化模型库，按照工程图的描述形式可迅速建立起系统的一维性能分析模型，只需输入对应元器件的实际参数即可开始仿真运算。另外，使用者也可将自行开发的参数化模型加入其中，形成自己的专家知识库。一维流体模型计算液压管路和流体控制元件（受控制器控制）的压力和流量，油缸的机械运动和输出力/力矩，同时还有整个系统的温度变化。除了满足舵机性能评价以外，这些参数还可以提供给全机液压系统作设计参考（如蓄能器和散热器等附件）。一些液压系统的特有现象，如油击和机液耦合

18、震荡也可以在一维流体模型仿真中予以评估。液压系统模型可以同机构动力学和控制系统模型结合仿真，以评估舵机系统整体性能并开发控制算法。常用的液压系统一维流体分析工具有，Hypneu，AMESIM，EASY5 等。2.3.6.机电元件 CAE 工具主要用于电动舵机中的伺服电机设计。液力舵机伺服阀的力矩马达部分和其他磁电类作动元件也属于机电元件设计范畴。电机设计分为两个方面，伺服电机本体和驱动控制设备。伺服电机的基本工作原理是磁电能量的转换。其分析和设计也基于电磁场的计算进行。根据分析结果确认合适的电机构造和材料。机电元件电磁场分析虽然多采用有限元形式的数学模型，但一般采用专用的工具较为方便，主要有

19、Ansoft。另外，Ansoft 还可以完成电磁兼容性（EMC）方面的计算。伺服电机的驱动控制设备需配合电机设计进行。这时必须使用电机的动态系统模型。通常是根据电磁场分析设计的结果提取电机的参数化模型，在动态系统仿真环境中复现，配合控制系统设计工具建立电机的功率驱动控制策略。相应算法通过 EDA 工具作硬件实现。力矩马达和电磁铁等元件参数化模型也可以根据电磁场分析结果提取为参数化模型（如传递函名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 13 页 -数）。常 用 的 电 机 参 数 化 建 模 和 控 制 策 略 设 计 工 具 有 SABER，EASY5，AMESIM，Sim

20、ulink/Simpower 等。电机参数化模型（含驱动器）可进一步与机构动力学和伺服控制系统模型结合，完成整个舵机的闭环回路。2.3.7.控制系统仿真和设计工具控制系统的设计主要考虑系统闭环伺服控制算法和反馈/测量器件的特性对控制性能的作用。具体硬件实现为模拟式或数字控制器电路实现。实现过程在EDA 工具平台上进行。控制系统设计针对具体的被控对象。通过与机构动力学，一维流体机械和电机/传动机构模型的集成仿真计算，可以设计，验证和优化系统闭环控制算法。控制系统设计首先要解决系统稳定性问题（由于空程，摩擦等一系列非线性特性造成），然后向需求定义的响应特性指标优化。控制系统算法通常表达为数学方程，

21、而且主要是微分方程形式。诸如 MATLAB/Simulink这样的控制系统分析和设计工具即可进行此类应用。软件还提供了大量与第三方软件的数据接口，方便系统模型的集成。无论是舵机伺服控制算法（适用于液力和电动舵机）还是驱动控制算法（仅适用于电动舵机），在设计进入 EDA 硬件设计之前，必须通过一定手段予以验证。这就是快速控制原型实验通过控制原型对实际被控对象的操纵确认控制算法。需要注意的是，此时舵机系统其他部分实际已经初步成型。常用的控制系统快速原型测试工具有DSPACE，Simulink/XPC等。其中 DSPACE几乎是这方面应用的标准工具。2.3.8.EDA 工具（包括快速控制原型工具）控

22、制系统设计得到算法转变为具体的电子硬件装置涉及为两种工作任务类型，一种是纯粹的硬件电路，另外一种是运行在产品硬件上的控制代码（对数字式控制器而言）。电子元器件的选择，电路制版等主要是应用EDA 工具进行，如 Protel，Cadence，Mentor等，一些与电子电路有关的非电子类设计也可以由这些工具完成，例如电路板热负荷分析。控制算法在经过快速原型实验确认后，即可编写相应的控制代码。这一过程可以手工进行，也可以借助一些商业化的自动代码生成工具，例如Simulink/RTW/EmbededCoder，DSPACE/Target Link，TNI/RT-Build。另外，采用可编程逻辑器件时（G

23、AL，PLD，CPLD，FPGA 等），还可以使用MATLAB/VHDL Generator，Altera/System Generator 等。当采用Simulink/RTW，Simulink/EmbededCoder，DSPACE/Target Link时，可直接继承控制系统设计工具的算法模型，形成所谓的“基于模型的设计”流程。代码检查则可使用TNI/STB，SCB 工具，从编码角度保证代码的效率和可靠性。另外，代码的性能/功能检测一般通过其在硬件上的运行完成，使用硬件在回路仿真测试（HIL）完成这类工作。常用工具有DSPACE/Simulator。2.4.各工具之间的设计信息接口从以上对

24、舵机本身设计内容和所使用工具的特点可以看到，设计是与分析紧密结合，设计的各个环节相互提供设计参数和约束。因此，舵机系统的现代化设计过程必然是集成化开发形式。需要每个环节的模型和参数都能相互沟通。目前大多数工程软件工具都提供了这样的能力。根据如上软件工具的任务和功能，各工具之间的数据交换形式可分为两类：1、设计参数接口某一零部件/环节设计分析（工具）所需的参数和指标需要由其他设计/分析环节（工名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 13 页 -具）提供，例如动力学分析需要CAD 提供的机构几何参数和铰链定义，油缸CAD 设计需要一维流体分析得到的油缸基本造型参数（行程，缸径

25、等）。2、联合仿真接口不少工具软件采取建立系统动态模型，进行时域仿真的方式检验设计结果。同时，这种数字化模型虚拟的运行也可以辅助设计的开展和优化。由于每种工具仅针对所属的专业系统和环节，所需其他系统部分的边界条件一般采用人为给定的一些代表性数据或是实验测量数据。目前，仿真工具之间也提供了直接的模型数据接口，也就是说一种工具建立的部分仿真模型运行时，其边界条件可以由其他工具建立的仿真模型部分提供，这两个（或更多个）仿真模型同步运行计算。这种工作方式也称为“联合仿真（Co-Simulation）”。例如：液压系统仿真（一维流体分析）可计算输出油缸活塞上的力，通过与动力学模型的接口，这个力作用在机构

26、上，计算出活塞在推动实际负载机构时的运动情况，这个结果也将影响液压系统的动态特性。需要指出的是，并不是所有的工具和模型之间都存在直接的仿真模型连接或是设计参数接口。例如：电磁场分析得到的电机设计不能直接用作性能分析的仿真模型，这时需要结合设计所得的参数和建模知识，在系统仿真环境中重建电机的仿真模型。一些辅助建模工具，如 MATLAB/Parameter Estimation 和 System Identification 工具箱，可以根据计算和实验数据快捷方便的建立物理元器件的仿真模型。这个过程一般称为“模型提取”。各种类型的专业工具在设计开发过程中的和相互集成关系可用下图说明。工程设计分析工

27、具的集成物理系统机构动力学ADAMS，Simechanics CAD 造型CATIA Pro/E UG FEM 结构分析Nastran，Ansys控制系统Simulink 机电元件Ansoft，SABER，AMESIM液压元件EASY5，AMESIM，Hypenu 快速原型DSPACE，XPC 系统控制代码RTW/Ecoder，TargetLink 驱动器控制代码传动链Valdyn，Romax电子电路Mentor，Cadence Protel 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 13 页 -这些工具之间的集成方式和数据接口可参见下表：设计分析环节输入设计分析环节输出设

28、计接口仿真接口设计接口仿真接口CAD 运动形式，零件载荷，安装空间几何尺寸，铰链形式/位置，材料 强度校核几何尺寸，材料，载荷条件应力/应变，零件弹性体模型机 构 动 力学零件几何尺寸，铰链连接关系，零件弹性体模型驱动/载荷力，力矩，铰链副，几何结构，尺寸零件动态载荷运动参数（位移，角速度等）传 动 系 设计传动比，传动系载荷驱动和负载端的转矩设计后经模型提取变为仿真模型电机结构驱动端和负载端的角速度角位移控 制 系 统仿真设计舵机系统性能指标。稳定性，响应速度，精度物理参数反馈（运动参数，力参数，温度，压力等物理量）指令信号控制算法（硬件开发使用快速原型使用）控制信号电机（机电）转矩转速特性

29、，几何尺寸等控制信号，运动参数，电压，电流，温度几何造型，电气驱动参数设计后经模型提取变为仿真模型驱动力/力矩，电压，电流，温度参数反馈液 压 系 统（流 体）舵机性能指标，系统工作压力，流量，温度要求控制信号，运动参数，系统压力，温度液压系统结构和元件参数，用于机械设计驱动力/力矩系统压力，温度参数反馈控 制 装 置电 子 硬 件（包 括 电机驱动）控制算法电控装置硬件电路分析工具间的设计仿真数据接口从上面列表可以看出，所有的设计环节都具有设计参数接口。但是，用于性能验证的仿真模型，则只包含控制系统，液压系统，电机系统（需经模型提取得到），机构动力学和传动系（需经模型提取得到）的模型集成。3

30、.舵机开发系统工程和平台3.1.系统工程和数字虚拟原型舵机系统设计是一个系统工程，遵循系统工程的规律和方法。除了必要的工具手段，技术力量和科学的管理方法也是高质量产品成功开发的必要条件。舵机项目开发一般需要经历：需求开发，总体设计，分系统设计，系统集成测试和产品化设计几个阶段。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 13 页 -需求开发明确舵机产品所要满足的使用要求。包括基本作动性能指标，工作条件，可靠性指标，维护条件等。除了显示提出的技术要求外，还需要挖掘相关的潜在技术要求，最后形成记录文档。在现代设计方法中，详细的需求开发一般在总体设计初期，利用系统数字虚拟原型进行。

31、需求开发的结果即是整个开发过程所要遵循的依据。项目进程中需要随时对需求进行跟踪和管理，保证项目朝着正确的方向进行。借助商业化软件工具，如 TNI/Reqtify，Cradle/REQ，可以将工作产品（图纸，模型，代码和文档等）与原始需求联系起来，在开发进程中可方便的查找原始需求定义和相关设计内容，随时跟踪需求的完成和变更，作为项目管理的依据。这里，TNI/Reqtify，Cradle/REQ属于配置管理范畴，并贯穿舵机系统工程始终。总体设计与数字虚拟原型总体设计完成两个主要功能：1)在设计开始时确认基本设计方案（技术途径），并在以最终的产品性能为目标，解析出各个零部件（分系统）所应满足的技术指

32、标要求，即对分系统的设计需求（相当于原始需求的系统化和任务分解）。这是一个项目规划过程，对原始需求的开发和技术途径确认也在这一环节完成。2)在项目进行过程中项目进行的任何时候，都必须将分系统设计的成果带入总体设计环节，以验证系统的总体性能和各个分系统之间的配合情况。同时更正总体设计方面不合理的因素，调整/优化各分系统的设计指标以使子系统产生相应的变化，最终保证各分系统的相互配合和产品整体的品质。这是一个系统集成测试验证（Validation）过程。传统上舵机系统集成测试只能在原型样机制造后进行，成本高，周期长，而且干扰因素较多。而对于初期的方案论证和规划，仅能凭技术经验或参考产品进行。如前面所

33、述，现代化设计工具可以给出每种类型分系统的数字化时域仿真模型，并且可以相互集成构成舵机完整的动态模型。借助这种手段，可以建立舵机的全数字虚拟原型，确认基本设计方案并替代真实原型样机进行测试，把大部分问题解决在原型样机制造之前（加快了设计循环的过程）。这样就能严格遵循设计原型实验详细设计/样机实验确认（即V&V）这样的产品开发流程，保证部件和最终产品的性能和质量。另外，使用数字虚拟原型，使得多种方案的尝试和比较易于实现，大大拓展了设计的灵活性，有助于提升产品的技术水平。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 13 页 -系统设计局部设计系统验证系统设计的设计循环过程根据分系

34、统模型之间的集成关系和工具应用方式，系统数字虚拟原型研究也分为两种方式：1)局部集成利用两个分系统仿真模型联合仿真分析它们之间的设计参数匹配关系，调试局部系统性能。这时常采用一些典型的输入条件最为联合仿真测试模型的边界条件，以保证基本的设计指标，确认分系统设计。实际上，这是数字虚拟原型应用量最大的方面。局部集成一般依靠两种软件之间的仿真接口就可以达成，比较方便。2)总体集成经过局部集成设计得到的各零部件模型，需要全部集成为完整的舵机系统模型，以考察完整系统在真实使用条件下的综合动态性能，并给出合适的调整意见。这个过程一般只在各分系统设计基本成熟时进行。另外，完整系统的伺服控制算法也只能在总体模

35、型集成层次上进行（被控对象是整个系统）。总体集成可以使用某种软件工具作为基础，集成其他工具建立的模型；例如 Simulink 具有大量第三方仿真接口，便于用作基本运算环境。Simulink 可建立控制系统模型，衔接机构动力学，液压系统/电机和传动系模型开展联合仿真运算。这种方式比较易于使用，但对于未提供相应接口的工具则不易采用。也可以使用专门的模型衔接工具来沟通各种软件工具的模型仿真。例如TNI/Cosimate软件，它利用各个仿真工具的编程接口建立类似总线的数据交换通道，并控制各种不同工具建立的仿真模型同步运算。这种方式的模型兼容性较好，但是为每个软件工具编写Cosimate接口增加了额外的

36、工作量。分系统设计分系统设计是产品的具体实现过程。根据前面“构成和设计内容”一章的介绍，依照总体设计给定的指标和专业规范，应用相应工具进行。分系统设计过程中各个零件的设计也需要通过配置管理形式协调。例如各个 CAD 零件的配合和设计协调通常使用PDM 系统调度。替他类型的系统也使用数据库统一协调管理。这样的配置管理存在于项目所有的进程环节之中。为适应所有的分系统应用，可以采用名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 13 页 -通用工具软件，例如Cradle（英国 3SL 公司）所提供的数据综合管理和跟踪/记录能力。控制策略的设计虽然在系统级进行，但硬件和代码实现仍可认为在

37、部件层次完成。编码过程可以手工或借助自动化编码工具，但也必须通过检测/测试才能定型。软件环境下的代码测试可以考虑使用SCB/STB（TNI 公司），而软件功能的测试则依托快速控制原型（RCP）进行，这样在不必作出具体的嵌入式控制样机之前，即可对舵机系统的电控配置情况进行确认。例如传感器的数量和性能，电气接口，控制器运算能力等等。相应的电子产品还可以通过硬件在回路仿真（HIL）的形式来检验。DSPACE（德国）产品在这方面有着传统的优势，目前已成为快速控制原型应用的典型工具。以上是舵机开发的共同性方面，针对不同类型的舵机，具体的流程路线不尽相同，下面就液力舵机和电动舵机分别叙述。3.2.液力舵机

38、开发过程（流程环节）需求输入需求分析TRIZ专家库合理结构设计|UG结构建模|HyPneu伺服系统设计|MATLAB有限元分析|ANSYS可靠性及寿命分析|i设计评审合格快速成型中心制造装调工艺验证环境通用工艺为基础的专用装调工艺路线合格专业技术NYNYYN作动器方案设计TRIZ专家库伺服系统仿真设计|MATLAB试验验证CMBi虚拟装调工艺设计|液力舵机从需求定义到工艺实现的过程参见上面的流程。设计循环的工作流程和内容如下：第一.步确定油缸基本参数和机械余度形式（总体设计开始）从油缸入手。根据最大响应加速度（响应速度指标，原始需求）和载荷确认油缸活塞的名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心

39、整理-第 10 页，共 13 页 -最大输出力。根据系统压力确定缸径。这样，油缸的结构尺寸就确定下来。油缸的基本尺寸直接关系伺服阀的选用或设计。油缸的输出力，行程与舵面传动机构/机械余度机构产生的载荷参数有一定关系，通常由设备容纳空间，安装条件，并结合一定的专家工程经验初步确定。确定油缸的基本参数的同时可以设计/选择机械余度和备份操作机构的基本形式，并根据载荷条件确定基本几何参数。此时机构一般为抽象的刚性杆等实体形式。第二.步 确定伺服阀基本参数利用油缸缸径和最大速度（响应速度指标，原始需求）可得最大流量数据，配合最大压力数据可确认伺服阀技术规格（流量，压降等），期间许结合一定的专家工程经验判

40、断参数选取，保留合适的设计裕量。此时液力舵机的基本雏形出现。以上两步利用系统的基本性能参数确定的结构特性指标，暂未考虑动态性能，应用简单的数学计算即可。第三.步 液压回路初级虚拟样机动态仿真使用一维流体系统仿真工具（Hypneu，AMESIM，EASY5 等）按照初步设计的伺服阀和油缸参数建立系统模型并调试。利用人为假设的典型工况（指令，载荷）数据或已有测量数据作为工作边界条件进行动态系统仿真。此时，仅考虑伺服阀和油缸模型（性能）即可。利用仿真工具还可以建立简易的闭环控制器模型，考察系统的基本闭环动态性能。目的是考察基本设计的参数是否能满足需求定义的负载和相应速度。初级样机可暂不考虑机构装置和

41、精度问题。初步样机通常要保留一定的性能设计裕度，方便后续设计。第四.步 机械余度/备份操纵机构初级虚拟样机动态仿真利用 初步 确 定 的 机 械余 度和 备 份 操 纵 机构 形式 建立 动 力 学仿 真模 型。使 用工 具Simulink/Simechanics，Adams。建立的机构多刚体动力学仿真模型主要用于进行运动参数和运动干涉检查即考察机构的运动形式和力传递关系是否满足余度和备份操作的需求。仿真所用工作边界条件暂可采用人为假设的典型工况（指令，载荷）数据或已有测量数据。进行必要的设计调整，并保留适当设计裕度，方便后续设计。第五.步 液压回路/机构系统初级虚拟样机集成（总体设计结束）利

42、用机构动力学模型与液压系统模型的仿真接口（两种软件之间），进行初级虚拟样机模型的联合仿真。仍旧使用人为假设的典型工况或已有测量数据作为工作边界条件（注意，同每种样机模型单独使用时的数据存在差别）。确认系统整体性能和工作特性，进行第一次系统间协同设计，各自做出必要的调整。系统初级联合样机调试完毕后可分别记录液压和机械结构系统的典型和极限工作状态数据。如液压回路的压力，流量，温升，阀口开度等；机械结构各零部件的力，力矩，速度，加速度，位移和确认的基本构造参数等。这些数据将作为详细设计的初始参考值。这一步实际完成了初步的总体设计，并分解出分系统设计指标。第六.步 液压系统功能细化和流体机械CAD（分

43、系统详细设计开始，设计循环）在不影响或较少影响已确认液压回路性能的基础上，实现基本性能以外的其他需求定义。例如人力备份操纵回路，安全装置，检修接口，液压余度和其他附件等，最终得到符合全部功能和性能需求定义的液压系统。这时，可以比较详细的考察液压系统的发热状况，以便于飞机整体液压回路的设计考虑。液压系统的功能和参数细化可基于已有的液压初级虚拟样机开展（Hypneu，AMESIM，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 13 页 -EASY5 模型），需要结合一定的专家工程经验。一边利用 MATLAB 的专业工具箱和数据处理功能进行设计，一边利用模型仿真验证设计结果，最终可

44、得到液压系统中所有流体机械的性能和结构参数。利用上述对每个流体机械（油缸，伺服阀，单向阀，管路，附件等）的性能和结构参数定义，结合液压机械的专业技术规范和方法，最终形成产品零部件机械设计图纸并用有限元分析工具（Ansys，Nastran，Abaqus）做强度校核。也可以从已有产品体系中进行匹配选取。第七.步 机械传动机构零部件CAD（设计循环）利用初级虚拟样机得到的传动机构（含机械余度和备份操作机构）设计参数，可以开展机械零部件的 CAD 设计。每个零件根据基本运动参数，相互连接关系和动态载荷特性进行几何造型设计。设计结束后将零件造型带入回机构动力学模型，再次考察运动形式和运动干涉情况。并再次

45、提取机构动态载荷信息。利用有限元分析工具（Ansys，Nastran，Abaqus）和机械零件造型进行强度校核，确认机械系统的寿命，可靠性等内容。另外，从有限元分析结果中可以提取零件的弹性体模型，并从机构动力学建模工具相应的接口导入机构模型中。动力学机构模型采用弹性体模型替代原来使用的刚性体模型，可研究交变再和作用下的机械结构振动状况和响应能力。通过机构动力学和FEM 分析，反复优化零件几何造型参数，可得到最终样机加工图纸。第八.步 系统虚拟样机动态仿真和控制算法设计（系统模型集成，设计循环）经过详细设计的液压系统和机构动力学系统模型需要再次集成为系统总体方针模型，在系统级验证各分系统的详细设

46、计，评估结构柔性的影响和各个零部件的动态载荷，确认设计结果。如果有不合适的地方，还需返回零部件层次的详细设计进行调整和优化。在系统级模型层次，因为已经具有被控对象模型，可以开始控制算法设计，包括伺服控制算法和余度控制算法。利用集成的仿真模型和控制系统设计工具（MATLAB/Simulink），初步可以得到控制策略和参数，但在这些信息用于控制硬件设计制作之前还必须通过原型样机的台架试验确认。第九.步 系统原型样机实验（快速控制原型）各系统详细设计结果得到确认后，就可提交快速成型中心制作原型样机实物了。一般在此过程中还会伴随工艺设计。其中需要零件几何设计作出修改时，还需再次返回分系统及总体设计环节

47、。原型样机准备就绪后，可利用快速控制原型（DSPACE，XPC）直接继承总体系统虚拟样机层次设计（第八步）得到的控制律（包括余度控制算法），连接原型样机系统的执行机构和反馈器件，进行产品实际性能测试。在此过程中，快速控制原型平台还可用作载荷模拟器的加载控制装备使用。通过快速原型测试，一方面确认整个液力舵机的功能和性能。一方面确认控制器算法和参数。第十.步 伺服控制电子装备开发（系统原型样机实验，快速控制原型）快速控制原型确认的控制器算法和参数即可用于指导伺服控制电子装备的开发。综合使用各种 EDA 工具即可。或者将该任务交付该专业的合作单位完成。EDA 设计得到的电子装备直接在原型样机台架上完

48、成基本测试。由于某些测试内容台架试验难以覆盖，还需要使用硬件在回路仿真（HIL）的形式，利用实时仿真模型或测试算法在实时半实物仿真机上（DSPACE，XPC）试验。这也是一种电子装备产品质量检测的方法，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 13 页 -确保实际使用中的可靠性。第十一.步生产样机和工艺开发（产品化）经过以上十个环节，液力舵机产品基本可以定型，但还需通过环境测试，振动试验等一系列实际使用测试后，才能正式定型。紧接着就是产品的规模化生产问题，包括工制造工艺，工装夹具，装配工艺。另外还有供用户使用的维护装备和技术开发，例如测试仪器/设备，检测标准和维修方法等等

49、。3.3.电动舵机开发过程（流程环节）控制功率入手？3.4.关于开发过程的说明（项目管理）舵机的开发基本上要经过类似上述的各个环节。虽然这些环节按顺序列出，但实际上他们是相互关联的过程，可以认为是一个并行进行的过程，只不过产品的设计阶段不同，这些环节的工作内容和工作量有所差别。而且每个环节都可能在设计的迭代循环过程中经历若干次（即所谓的螺旋上升运动规律/V&V 模式。为了系统的管理和控制这些环节工作的进程和工作成果，保证项目沿着产品需求的方向进行，除了科学的工作方法，还需要合适的工具手段来配合，否则某些管理意图也难以或无法达成。需求的开发和管理贯穿舵机项目工程始终，主要是一些文档和模型、图纸的

50、数据管理。借助类似 TNI/Reqtify 这样的工具，可以方便的索引并跟踪、管理相互关联的设计需求和技术途径。项目进程中的工作成果需要借助配置管理工具进行，例如零部件CAD 环节所用的 PDM工具，综合协调各个零部件的机械设计。通用的配置管理则需要数据库的形式辅助进行，例如 Cradle/PDM 系统（英国 3SL 公司）。设计过程中所产生的各种模型在产品定型后一般不会废弃，这些信息是专家数据库积累的重要资源，可直接用于后续或类似产品设计的参考。另外，对处于维护期的产品，出现问题时，这些模型也将提供必要的理论参考。4.舵机开发工具简介MATLAB DSPACE Reqtify Cradle