基于直驱式容积控制作动器的倾摆系统研究
基于x-LMS算法的直升机主动消振电力作动器系统研究
基于x-LMS算法的直升机主动消振电力作动器系统研究郝振洋;杨健;张嘉文;曹鑫;王涛【期刊名称】《Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics》【年(卷),期】2024(41)1【摘要】直升机前飞时,气动环境会导致不同方位角的桨叶出现气动载荷的瞬间不对称,通过基础结构传递会在机身形成大幅度的低频振动。
为了消除多方向幅值变化的振动力,利用结构响应主动控制原理,设计了基于x-LMS算法的主动消振电力作动器系统,并进行了减振实验。
首先,通过比较确定了单台作动器中两台电机同向旋转的方案。
通过两台作动器的组合使用,推导出输出力的数学模型。
其次,采用负载相位差交叉耦合的控制策略设计系统控制框图。
针对存在耦合的相位外环,通过回差阵特征值法确定满足系统稳定裕度要求的参数范围,再根据灵敏度函数和输入跟踪性能在所得的参数稳定域内寻找最优解。
然后,提出了基于x-LMS算法的直升机主动振动控制系统,并通过仿真验证了该系统的减振效果。
最后,研制的实验样机进行了动稳态实验以及减振实验,验证了系统的实际减振效果。
【总页数】13页(P53-65)【作者】郝振洋;杨健;张嘉文;曹鑫;王涛【作者单位】南京航空航天大学自动化学院【正文语种】中文【中图分类】V11【相关文献】1.在主减速器斜撑杆上安装压电叠层作动器的直升机主动隔振2.基于滤波x-LMS 算法的磁悬浮隔振器控制研究3.基于电磁作动器的主动隔振系统研究4.四转子机械作动器主动消振法5.旋转偏心质量块式消振电力作动器建模与控制因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于制动与悬架系统的车辆主动侧翻控制的研究
据美 国 国 家 道路 交 通 安 全 局 （ Ｈ Ｓ 的 统 计 Ｎ Ｔ Ａ）
数据 ， 尽管 车辆 侧 翻 只 占交 通 事故 的 ８ ， 由于 侧 ％ 但 翻事故 所 引起 的乘 员严 重受 伤 和死 亡 的概 率 却高 达 ２ ％ 和 ３ ％ Ｊ使 汽车侧 翻控 制 问题 成 为 车辆 工 程 １ １ ， 领 域研 究 的焦 点之 一 。
Ｓ： ＝
一
一ｚ 二ｑ ）＋ｃ 二＋ ｉ ＿＋ ７ （２ 一～三 ， — ｆ。 ｆ （ ｃ ） 一 Ｃｃ
一
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向及 绕 车辆 坐标 系各轴 旋转 的 ６个 自由度 和 ４个 车
ｑ ）＋ 。 Ｆ
（ ｒ ＝ ） （） ８
轮转动的 ４ 自由度。将可控半主动悬架系统和独 个 立 制动 系统 作 为 执 行 作 动 器 ， 综 合 考 虑 了车 辆 ３ 并 个方向的运动耦合关系。根据车辆实际情况建立了
整 车动 力学模 型 ， 图 １ 如 所示 。
车轮旋 转运 动方 程为
１ ｆ 硝 ｆ ｗ ＝Ｆ Ｒ一
Ａ ＝（ 一ＯＲ） ｖ ｔ ／
（） ９
式 中 ： 、 分别 为整 车质 量 和簧载 质量 ； 、 ， Ｍ ，和 ２ 分别 为绕 、 ｙ和 ｚ轴 的 转 动 惯 量 ； Ｙ 分 别 为 车 、 、 辆纵 向、 向和簧 载质量 的垂 向位 移 ； 侧 、 分 别 为 ０ Ｆ ｙ和 侧倾 、 摆 和俯 仰 角位 移 ； 为 前 轮 转 角 ； 横
［ 摘要 ］ 为提 高车辆 抗侧 翻能力 ， 建立 了 １ ０自由度 整车侧 翻动 力学模 型 ， 用车辆 动力学 和轮胎 力耦合 特 应
针对直线一级倒立摆的PID控制系统设计
沈阳航空航天大学课程设计（论文）题目针对直线一级倒立摆的PID控制系统设计班级 94070201学号 *************学生姓名农夫三拳指导教师沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称计算机控制技术课程设计院（系）自动化学院专业自动化班级9407201 学号2009040702020 姓名农夫三拳课程设计题目针对直线一级倒立摆的PID控制系统设计课程设计时间: 2012 年7 月9 日至2012 年7 月20日课程设计的内容及要求：1. 内容以直线一级倒立摆实验平台为实验对象，设计一个计算机控制的PID控制系统。
保证倒立摆的摆杆垂直于水平面。
2. 要求（1）制定设计方案，并绘制出系统工作框图。
（2）按要求设计PID控制算法，并编写程序。
（3）用matlab进行程序设计与调试并进行仿真。
（4）通过直线一级倒立摆实验平台检验PID控制器的实际控制效果。
（5）撰写一篇6000~8000字左右的课程设计报告。
指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日目录0. 前言 (1)1. 倒立摆数学模型和编码器基本理论 (2)2. 方案设计 (5)3. 硬件电路的工作原理 (6)3.1PID控制模块 (6)3.2real control模块 (6)4. 软件编程 (7)5. matlab仿真及系统调试和结果分析 (8)6. 结论及进一步设想 (13)参考文献 (14)附录1 元件清单 (15)课设体会 (16)针对直线一级倒立摆的PID控制系统设计农夫三拳沈阳航空航天大学自动化学院摘要：倒立摆系统的控制是控制理论应用的一个典型范例，其结构简单、成本较低，便于用模拟或数字方法进行控制。
虽然其结构形式多种多样，但无论何种结构，就其本身而言，都是一个非最小相位、多变量、绝对不稳定的非线性系统。
由于倒立摆系统的绝对不稳定性，必须采取有效的措施稳定它。
其控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途。
谈铁路行业的机电一体化系统
摆式车辆通过 曲线时 ， 主动 向曲线 内侧倾斜 ， 降低乘客所感受的离 心加速度。图 ２是瑞典 ＡＤｒ ｚ ｔ ｎ 设计 的 Ｘ ０ ０车辆截面图， ａ ２０ 车辆两侧空 簧 作 为 二 系悬 挂 ， 装 于 倾 摆 摇 枕 之 上 ， 过 倾 斜 摆 杆 与 转 向架 连 接 ， 安 通 形成倾摆运动。倾斜摆杆能有效倾斜 车体 ，且倾斜 中心在车体地板面 上 。在欧洲 ， 极力推荐采用机 电作 动器来取代早期使用 的液压作动器。 图 ３是 意 大 利 Ｐｎ ｏｉｏ截 面 ，由 Ｆａ 提 出 ，０ ０年 用 于 瑞 典 ，０ １ ｅ ｄｌ ｎ ｉｔ ２０ ２０ 年 用 于 英 国。 早期 采用 两 钢 弹 簧 作 二 系 ， 压 作 动 器 垂 直 安 装 于 车 辆 中 ， 液 受 电弓通过一机械结构 与转 向架相连 ，以避 免与车体一 同倾斜而导致 的弓网离线问题。在 ＳＧ设计上 ， Ｉ 中间安装一个大囊式空簧作为二系 ， 用环形滚轴梁取代机械倾摆 杆 ，设计 独立控 制作 动器对受 电弓进行倾 摆补偿 ， 作动器选择上主要采用快速响应的机 电作动器 ｌ 。 倾摆“ 硬件 ” ——机械结 构在不断地 改进 ， 那么倾摆 “ 软件 ” ——倾 摆控制策略又是如何改变 的呢？现代的控制理论发展都很成熟 ， 关键在 于软硬件与实际错综 复杂Ｔ况 的配合 ， 其对 于控制 系统 的输入提取。 尤 刚开始 ， 采用最直 观的控 制方法 ， 在车体上安装 加速 度传感 器 ， 计算横 向加速度调节量 ， 驱动同向的作动器 ， 采用经典的负反馈逐 步调节 。但 突然 消失的横 向加速度会使乘客感 觉车辆存在运 动问题 ，且倾摆机构 在缓 和曲线段反应慢。其后， 则将加速度传感器装 于不倾斜的结构—— 转向架上 ，在 反馈环 中测试倾摆 角再提供 倾摆角 度命令信号 ，抵消 ６～０ ０ ７ ％的曲线通过时叠加的离心加速度 。但传感 器测试值包括曲线加 速度以及 由轨道不平顺引起的横向加速度 ， 则需要滤波 ， 否则将影 响直 线 运 行 乘坐 舒 适 度 。此 策 略 由 会导 致 曲线 进 入 区段 的判 定 延 迟 。最 后 ， 羊用 车端信号 的提前预测设 计 ， ０ 以避免此问题的发生 ， 合理地实现 了 较 机电一体化设计 。 ２２主动 二 系 悬 挂 ． 若不大改变车辆结构 ，又要更进一步改善更高速车辆对轨道不平 顺 的响应 ， 提高乘坐质量 ， 则关键设计 是车辆二系悬挂 的阻尼设计 ， 目 前较多应用机 电控制 ， 使普通 的阻尼器变为阻尼可变且可控的减振 器， “ 天棚阻尼” 就是一典 型设计 。天棚 阻尼控 制是 由美 国 Ｄ． ａ ｐ 教授 Ｋ ｍｏ ｐ 提出 ， 是对车辆横 向振动进行控制。假设在车体和一个“ 固定墙” 之间安 装一个虚拟的“ 天棚 减 振 器 ” 如 图 ４所 示 ）这 个 虚 拟 减 振 器 在 列 车运 （ ， 行时始终提供 这样 的阻尼力 ： 力的大小 只与车体绝对速度有关 ， 与转向
MAST多轴模拟振动台系统-MTSSystemsCorporation
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耐用、免维护的旋转作动缸，配备低摩擦零隙 轴承
旋转作动缸
MTS 旋转作动缸被设计了较高的倾斜 角，以适应 MAST 测试经常需要的大 横摇和投掷角度。高刚度和最小化的 质量确保了更高的性能以及更大的频 率操作范围。MTS 旋转作动缸采用 超大尺寸，以便提供额外的过载保 护，而它的特殊轴承则能延长使用寿 命，提供最小摩擦和零间隙。它们能 在各种不同的温度条件下正常运行， 并且几乎无需维护。
高保真振动模拟
准确并且可重复的振动测试为汽车、航空航天、土木工程和其他领域的工程师 提供了所需的数据，以创造更安全、更可靠并且更舒适的车辆和结构。多轴振 动测试能对富有挑战并且经常不可预知的现实操作环境进行实际模拟（要求精 确的控制、精密的测试设计以及综合数据分析）。
3 拥有超过 30 年的丰富经验，MTS 是多轴振动模拟台设计和供应领域的行业领 导者，其产品适用于对地面车辆和其他结构的部件和组件进行异响、模态以及 耐久性测试。我们已为全世界的众多组织设计和交付了超过 100 套系统，其中 包括标准和定制设计。在创新模拟技术、完善的专业知识以及响应服务方面， 我们远超其他任何供应商。
循环扫描函数发生器为异响测试提供频率和振幅可调正弦三角形和方波命令以及正弦扫描驻留点动增量和目标频率函数随机函数发生器生成频带和rms调的信号可以被频率加权以进行样品鉴定和评估样品频率响应时间历史回放允许下载和播放rpc驾驶和路面文件以进行耐久性测试特别的路面异响测试以及驾乘舒适度测试15领先的应用程序软件mts通过广泛的应用程序软件来补充它的mast系统产品这些应用程序软件拥有满足全方位模拟要求从标准要求到特别要求所需的能力和功能
MTS 已为全世界的众多组织设计 和交付了超过 100 套 MAST 系统， 包括标准和定制设计系统。
便携式直线一级倒立摆
现代控制实验（实验五 实验六）
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BANG-BANG自摆起实验（实验七）
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能量自摆起实验（实验八）
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模糊控制实验（实验九）
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VB6.0版本控制程序
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将以上的物理参数带入系统数学模型中以得到精确的系统模型。
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实验组成
本实验系统主要以自动控制中的经典控制和现代控制理论为理论基础，但随着科学与工程研究 的不断深入，控制理论不断发展，控制系统向智能控制系统的发展已成为一种趋势。
便携式倒立摆可以开展以下实验： 实验1. 运动控制基础实验（编码器原理及电机运动测试）； 实验2. 根轨迹校正实验；（经典控制） 实验3. 频率响应校正实验； （经典控制） 实验4. PID校正实验； （经典控制） 实验5. 状态空间极点配置控制实验； （现代控制） 实验6. 线性二次型最优控制实验(LQR)； （现代控制） 实验7. LQR控制（Bang_Bang自摆起）实验； （现代控制） 实验8. LQR控制（能量自摆起）实验； （现代控制） 实验9. 模糊控制实验； （智能控制） 实验10.模糊控制（Bang_Bang自摆起）实验； （智能控制） 实验11.模糊控制（能量自摆起）实验； （智能控制） 实验12.模糊PID校正实验； （智能控制）
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伺服驱动器
便携式倒立摆系统选用的伺服驱动器是西安铭朗电子科技有限公司生产的MLDS3810控 制直流伺服驱动器。 该伺服驱动器主要性能如下： 1.电源电压范围：12V-48V 2.最大连续输出电流：10A， 最大峰值输出电流：20A 3.通过RS232实现PC控制、参数调整、在线调测 4.反馈元件：增量式编码器，四倍频解码 5.过流、过载、过压、欠压、高低温、位置误差超限、失控保护 6.控制模式有三种：速度模式、位置模式以及采用步进模式。本系统采用速度模式。
三自由度刚体摆姿态稳定性控制研究的开题报告
三自由度刚体摆姿态稳定性控制研究的开题报告一、研究背景随着空间技术的不断发展，姿态控制技术在飞行器、卫星、太空站等空间应用中扮演着越来越重要的角色。
姿态控制是指对运动物体的旋转角度、角速度和角加速度等参数进行控制，以达到特定的目的。
在空间应用中，姿态控制的目的一般为保持飞行器或卫星的特定轨道或姿态以实现任务需求，如精确指向地球上的目标、保持通信、科学实验等。
三自由度刚体摆是一种常用的姿态稳定器，具有简单、稳定、可靠、易于控制等优点，被广泛应用于空间技术领域。
但是，由于受到外界环境和系统参数变化的影响，三自由度刚体摆的姿态稳定性控制仍存在许多问题，如控制精度不高、稳态误差较大、响应时间较长等。
因此，在现有研究的基础上，对三自由度刚体摆姿态稳定性控制进行深入研究，探索新的控制方法，提高控制精度和响应速度，具有重要的理论和实际意义。
二、研究内容和研究方法本研究旨在开展三自由度刚体摆姿态稳定性控制的研究，具体研究内容包括：1.建立三自由度刚体摆的运动学、动力学模型，分析系统的稳定性特征和存在的问题。
2.研究常用的姿态稳定控制方法，包括PID控制、滑模控制等，分析其优缺点，设计新的姿态稳定控制方法。
3.利用Matlab/Simulink等工具建立三自由度刚体摆的数学模型，并进行控制算法仿真验证，分析获得控制精度、稳态误差以及响应速度等指标。
4.在理论研究的基础上，进行实验研究。
设计并搭建三自由度刚体摆姿态稳定性控制系统，并进行实验验证，检验控制效果并对理论研究结果进行验证。
研究方法主要包括理论分析、数学建模、仿真验证以及实验研究等。
三、研究意义三自由度刚体摆姿态稳定性控制的研究对于提高空间技术应用的姿态控制精度和效率，具有重要的意义。
本研究的主要意义在于：1.对三自由度刚体摆姿态稳定性控制进行深入研究，提供了新的解决方案和控制方法，可为实际应用提供一系列有效的技术方案。
2.通过实验验证，检验理论研究结果的可行性和有效性，从而提高了本研究的实用性和可靠性。
基于压电作动器的舰载机柜主动减振试验研究
第40卷第6期 2020年12月振动、测试与诊断Journal of Vibration,Measurement &DiagnosisV o l. 40 N o. 6Dec. 2020DOI：10. 164 50/j. c n k i. issn. 1004-6801. 2020. 06. 019基于压电作动器的舰载机柜主动减振试验研究秦一凡\陆洋\马逊军2,王风娇1(.南京航空航天大学航空学院南京，210016)(.武汉第二船舶设计研究所武汉，430205)摘要安装有精密电子设备的舰载机柜具有很高的减振要求，尝试采用主动控制方法实现舰载机柜的多频振动控制。
首先，基于叠堆压电作动器，建立了一套模型机柜主动减振试验系统；其次，进一步考虑舰载机柜的减振需求，采用多频并联结构自适应控制策略，进行了三频单人单出和四人四出的振动主动控制试验，并研究了控制系统对外扰激励和控制通道变化的自适应能力。
试验结果表明：控制系统能够有效抑制被控点的低频线谱振动，单人单出情况下目标位置振动水平降低85%，四人四出状态下各被控点的振动控制效果均达到60%;叠堆压电作动器响应具有频带宽和响应速度快的特性，使系统对外扰激励及控制通道的变化具有较强的跟踪控制能力，具有一定的多频控制能力和较强的自适应性。
关键词舰载机柜；压电作动器；振动主动控制；并联结构自适应滤波中图分类号U665.2;T P271. 8引言舰载机柜是舰船测控系统的重要组成部分，内部装载的精密电子仪器设备是舰船执行各项任务的核心部件，必须保证连续可靠工作。
然而在 舰船航行中，结构振动容易导致机柜内电子仪器信号连接设备松脱或产生疲劳损坏，从而影响电子设备的正常使用，甚至导致严重事故[1]。
因此，舰载机柜的振动控制是船舶工程领域中不可忽视的问题之一。
对于舰载机柜而言，周期性旋转机械设备（如柴 油发动机、排水栗等）引发的多频振动是其主要振源。
在船舶工程领域，加装被动隔振器是常用的机柜减振方法[2]。
直线倒立摆系统匀速行走的伺服控制研究与实现的开题报告
直线倒立摆系统匀速行走的伺服控制研究与实现的开题报告一、研究背景直线倒立摆是一种典型的非线性、强耦合、多自由度的动力学系统，被广泛应用于机器人、自动化控制、飞行器等领域。
直线倒立摆系统在理论研究和应用方面具有重要的意义。
倒立摆系统的控制一直是研究热点，尤其是在运动控制中的应用更加广泛。
在直线倒立摆运动控制研究中，伺服控制是最常见的一种方法。
二、研究目的本研究旨在探索直线倒立摆系统在运动过程中的伺服控制方法及其实现。
具体研究内容包括：运用数学理论推导直线倒立摆的运动方程；建立直线倒立摆系统的数学模型；选取合适的控制算法，并对其进行仿真验证；设计硬件实现相关控制系统，并进行实验验证；最终实现直线倒立摆系统的稳定、精准的运动控制。
三、研究方法本研究主要采用理论分析和实验研究相结合的方法，包括以下步骤：1. 系统分析：通过对直线倒立摆的系统分析，建立运动方程和数学模型，从而为后续的控制方法选择和系统实现提供理论基础。
2. 控制算法的选择和仿真验证：在控制算法的选择方面，本研究将主要探讨PID控制方法以及模糊控制方法，对不同的控制算法进行仿真验证，确定最终的控制方式。
3. 硬件设计与实现：在本研究中，选用STM32单片机作为中央控制器，设计并实现相应的控制系统硬件电路，实现对直线倒立摆系统的稳定控制。
4. 实验验证：通过实验验证，验证所选控制算法的控制精度和稳定性。
四、预期成果本研究旨在探究直线倒立摆系统的运动控制方法及实现。
预期达到以下成果：1. 建立直线倒立摆数学模型，确定运动方程。
2. 选择最终的控制算法并进行仿真验证，得出最佳控制算法。
3. 设计硬件实现相关控制系统，并通过控制实验验证直线倒立摆系统的稳定、精准的运动控制效果。
五、拟解决的问题在直线倒立摆系统的运动控制中，会遇到以下问题：1. 直线倒立摆是一个典型的非线性、强耦合、多自由度的动力学系统，在控制难度上具有一定的挑战。
2. 直线倒立摆系统在运动过程中容易受到外部环境干扰，导致控制效果不稳定。
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２０１０年１１月 第３８卷第２１期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ Ｔ００Ｌ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ ＮＯＶ．２０１０ Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．２ｌ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１０．２１．０２６ 基于直驱式容积控制作动器的倾摆系统研究
倪文波，王雪梅，于凤辉，李芾 （西南交通大学机械工程学院，四川成都６１００３１）
摘要：针对摆式列车倾摆系统要求，依据直驱式容积控制电液伺服技术完成了作动器结构设计，建立基于ＡＭＥＳｉｍ系 统的仿真模型。运用ＡＤＡＭＳ动力学软件建立摆式列车倾摆机构的动力学模型，并与ＡＭＥＳｉｍ软件实现了对倾摆作动系统 的联合仿真。仿真结果表明，采用直驱式容积控制电液伺服作动器的倾摆作动系统性能良好，达到了预定的性能指标，能 满足摆式列车的要求。 关键词：摆式列车；作动器；直驱式电液伺服系统；联合仿真 中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２０１０）２１—０９１—４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｔｉｌｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｉｒｅｃｔ．ｄｒｉｖｅ Ｖｏｌｕｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｃｔｕａｔｏｒ ＮＩ Ｗｅｎｂｏ，ＷＡＮＧ Ｘｕｅｍｅｉ，ＹＵ Ｆｅｎｇｈｕｉ。ＬＩ Ｆｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００３ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｅｎ ｏ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗａｓ ｄｏｎｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｉｌｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｉｌｔｉｎｇ ｔｒａｉｎ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ＡＭＥＳ— ｉｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｔｉｌｔｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｉｌｔｉｎｇ ｔｒａｉｎ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＡＤＡＭＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ．ａｎｄ ｔｈｅ ＣＯ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｉｌｔ— ｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＡＤＡＭＳ ａｎｄ ＡＭＥＳｉｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｅｒｖｏ ａｃｔｕａｔｏｒ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｉｌｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｉｌｔｉｎｇ ｔｒａｉｎ；Ａｃｔｕａｔｏｒ；Ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ；Ｃｏ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
开行摆式列车是实现既有线提速的有效技术措施 之一。倾摆作动器是实现车体倾摆的动力来源，是摆 式列车倾摆控制系统的关键技术之一。在摆式列车的 发展运用过程中，倾摆作动器技术的发展先后经历了 气动式、液压式和机电式的倾摆作动器３种型式。 气动式倾摆作动器采用压缩空气作为动力，其优 点是可以利用列车上已有的气源，不需附加设备，对 环境无污染。缺点是倾摆控制精度不易保证，倾摆系 统响应慢、频响差，同时由于压缩空气压力低，故要 求作动器的尺寸和体积都较大。目前日本３８１电动车 组用其作为辅助倾摆装置；液压作动器是应用最广的 一种倾摆作动器，具有响应快、控制精度高等特点。 由于液压油具有一定的可压缩性，因此液压作动器很 适合于安装在具有强烈振动的转向架上。其缺点是需 要液压油源系统，液压泵站的体积较大，重量也大； 采用机电式作动器最大的优点是由于采用电力作为动 力，通过伺服电机驱动，效率较高，具有体积小、重 量轻、维护简便等特点。但由于机电式作动器采用纯 机械传动，齿轮、滚珠丝杠等传动件之间刚性连接， 无缓冲作用，因此安装在振动剧烈的转向架上，将受 到较大冲击作用。目前， 机电式作动器在国外的实际 运用中，时有“卡死”的现象发生。因此，２００４年， 德国Ｌｉｅｂｈｅｒｒ公司采用直驱式容积控制电液伺服系统 技术为摆式列车倾摆控制系统研制了一种新型的作动 器，其具有机电式作动器和液压作动器的双重优点， 克服了液压作动器重量大的缺点，与机电式作动器相 比，更能适应转向架上激烈振动工况。 采用直驱式容积控制电液伺服技术的作动器代表 了摆式列车倾摆作动器技术的发展，作者将对其在摆 式列车倾摆作动系统上的应用进行了研究。 １ 直驱式容积控制电液伺服系统的原理及特点 直驱式容积控制电液伺服系统是交流变频传动技 术在液压伺服控制领域中的应用成果。其以交流伺服 电动机驱动定量泵，通过改变伺服电动机的转速来改 变定量泵的输出流量，最终控制液压执行元件的输 出。其最大特点是用交流伺服电动机取代传统的电液 伺服阀，因此有时也简称为“无阀系统”，其原理如
１一交流伺服电机２一双向定量泵３一单向阀４一蓄能器 ｓ一安全阀６一液压缸卜位移传感器
图ｌ 直驱式电液伺服系统的原理图
收稿日期：２００９—１０—２１ 作者简介：倪文波（１９６９一），男，博士，教授，研究方向为机车车辆动力学主动控制、列车制动技术等。电话：０２８— ８７６３４０３１，Ｅ—ｍａｉｌ：ｎｗｂ＠ｈｏｍｅ．ｓｗｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃａ。 ・９２・ 机床与液压 第３８卷 控制器通过对交流伺服电动机的调速，直接驱动 双向定量液压泵产生液压动力直接推动液压缸。通过 控制定量泵的转速、转向来控制泵输出流量、压力， 最终控制液压缸位移输出。当活塞杆向下伸出时，油 缸上腔进压力油，下腔的油直接进入油泵。反之，当 活塞杆向上伸出时，油泵反转，下腔进压力油，上腔 的油直接返回油泵。蓄能器通过单向阀连接到系统 中，使系统的压力始终不低于蓄能器的压力和定量泵 的吸油压力，防止油液中气穴现象的产生。为防止液 压泵和油缸两腔出现过高压力，系统设置了两个安全 阀保证系统的安全。 系统采用了闭式液压回路并不再采用传统的电液 伺服阀，故系统不需要庞大的泵站。系统结构紧凑、 体积小。同时由于系统使用的液压油具有一定的可压 缩性，因此该作动器很适合安装在具有强烈振动的转 向架上。 以国产摆式动车组为对象，参考其所使用的机电 作动器，可得出作动器的实际参数 ：最大输出力 Ｆ：１３０ ｋＮ；最大行程 ：±１６０ Ｉｎｌｌｌ；最大速度 ＝ １０５ ｍｍ／ｓ；由作动器实际参数可以确定液压系统各 部分参数：液压缸直径１１０ ｍｍ；活塞杆的直径 ５６ ｍｍ；系统最大功率７．２ ｋＷ；蓄能器容积１．４ Ｌ； 定量泵最大排量２５ ｍＬ／ｒ。 根据系统的各部分实际参数，完成了直驱式电液 伺服作动器的结构设计，其外形尺寸长×宽ｘ高为 Ｉ １６８ ｍｍ×２３６ ｍｍ ｘ ４１７ ｍｍ，如图２所示。外形尺 寸及机械连接接口与机电式作动器相同，且二者可以 互换。 图２直驱式电液伺服作动器结构图 ２ ＡＭＥＳｉｍ系统模型及仿真 根据直驱式电液伺服作动器的原理图，建立其在 ＡＭＥＳｉｍ仿真环境下的系统仿真模型，如图３所示。 ④ 一 抖 图３ ＡＭＥＳｉｍ仿真环境下的直驱式电液伺服作动器模型 系统模型中，控制器采用了ＰＩＤ控制模式，伺服 电机与泵之问插入一力矩转换单元仿真电机的惯性力 矩 ，模型中的其余部分均采用ＡＭＥＳｉｍ标准库元件 组成。通过对仿真模型中的每个图形模块设置作动器 的实际参数，见表１，即可对作动器进行计算机仿 真，其结果如图４所示。 表１ 直驱式电液伺服作动器基本参数 名称 参数
交流伺服电机
双向定量泵 蓄能器 液压缸 单向阀 安全阀
电机转子及等效负 载转动惯量 电枢阻抗 电机时间常数 扭矩常数 最大扭矩 最大转速
最大转速 最大压力 最大排量 容积 最高压力 充气压力 缸径 活塞杆直径 行程
通径 最大压力 通径 最大压力
液压管道 通径
Ｊ＝０．００３ ３ ｋｇ・ｍ Ｒ＝０．３１ Ｑ ＫＥ：１０２ Ｖ／１ ００３ ＝】．６９ Ｎ ｍ／Ａ ＝６０．４ Ｎ・ｉｎ ３ Ｏ０ｏ ｒａｄ／ｍｉｎ
３ ｏ００ ｒａｄ／ｍｉｎ ２Ｏ ＭＰａ ２５ ｍＬ／ｒ
１．４ Ｌ ２ｌ ＭＰａ ７．２ ＭＰａ ｌｌ０ ｍｍ ５６ ｍｍ ±１６０ ｍｍ ８ ｍｍ ３１。５ ＭＰａ １０ ｍｍ ３１．５ ＭＰａ
８ ｍｍ 图４为系统闭环伯德图，可以看出，系统频带度 ｆ Ｂ＝１５ ｒａｄ／ｓ，即ｆ Ｂ＝１５／２￣＝１．７５ Ｈｚ。可以满 足倾摆系统１ Ｈｚ的系统频响要求 。 笔 画 骥
艘 频率／（ｒａｄ．Ｓ－‘ｌ
频率／（ｒａｄ １） 图４直驱式电液伺服作动器系统的闭环系统伯德图 ３直驱式容积控制电液伺服作动器联合仿真 ＡＤＡＭＳ软件是一种机械系统动力学仿真分析软 件，使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库， 创建完全参数化的机械系统几何模型，通过求解器并 第２１期 倪文波等：基于直驱式容积控制作动器的倾摆系统研究 ・９３・ 采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法， 建立系统动力学方程，可对虚拟机械系统进行静力 学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度 和反作用力曲线。 将ＡＤＡＭＳ与ＡＭＥＳｉｍ两个软件联合起来对摆 式列车作动系统进行仿真，可以将摆式列车车体倾 摆动力学模型与ＡＭＥＳｉｍ中直驱式容积控制电液伺 服作动器系统的液压模型有机地联系在一起，将系 统动力学仿真与液压系统仿真联合起来，实现系统 机液一体化全模型仿真，从而提高系统仿真的准确 性。 ＡＤＡＭＳ软件与ＡＭＥＳｉｍ软件的联合仿真，要利用 ＡＤＡＭＳ与ＡＭＥＳｉｍ的软件接口（ＡＤＡＭＳ—ＡＭＥＳｉｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）进行实时数据传递，接口内包含了系统动 力学模型与系统液压模型发生联系的相关状态变量与 参数，接口由ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌ（控制）模块来建立，然 后在ＡＭＥＳｉｍ中通过工具插件（Ｉｍｐｏｒｔ Ａｄａｍｓ ｍｏｄｅ１） 加载后建成全系统仿真模型。 ＡＤＡＭＳ软件与ｌ在ＡＤＡＭｓ中建ｉ 统的动 石画 ＡＭＥＳｉｍ软件联合仿 真过程如图５所示。 ＡＤＡＭＳ与ＡＭＥＳ— ｉｍ的软件接口由ＡＤ— ＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌ（控制） 模块来建立。其在ＡＤ－ ＡＭＳ中建立的动力学 模型，生成在ＡＭＥＳｉｍ 仿真环境中能够被识 别的模块（ＡＤＡＭＳ一