基于解析法的旋转式电动货舱门建模与仿真.pdf

356第40 卷第6 期2023年6 月真机仿计算文章编号：10 0 6-9 348（2 0 2 3)0 6-0 35 6-0 4基于解析法的旋转式电动货舱门建模与仿真王泽坤,齐蓉，周素莹*，高浩森（西北工业大学自动化学院，陕西西安7 10 12 9）摘要：在舱门闭环控制系统的设计中，常用的机械结构分析软件不便于实现控制算法的优化验证。为验证舱门系统的设计方案及控制算法的优劣，运用基于动态静力学的解析法对旋转式货舱门机构进行了运动受力分析，依据推导的力学方程在MATLAB/SIMULINK中建立了仿真模型，可通过输入舱门的实时位置得到负载转矩的变化曲线，同时可以得到对应的减速机输出端的转速变化曲线和功率变化曲线，曲线变化趋势与实际情况相符，上述模型的建立可为货舱门电机作动控制系统的设计提供基础，也能够显示舱门参数改变后的载荷变化，从而利于舱门负载转矩的优化。关键词：旋转式货舱门；解析法；仿真模型中图分类号：V271.4文献标识码：BModeling and Simulation of Rotary Electric Cargo DoorBased on Analytical MethodWANG Ze-kun,QI Rong,ZHOU Su-ying*,GAO Hao-sen(School of Automation,Northwestern Polytechnical University,Xian Shaanxi 710129,China)ABSTRACT:For the design of the rotary cargo door closed-loop controlling system,the commonly used mechanicalstructure analysis software is not convenient to verify the optimized control algorithm.To settle this problem,the rotarycargo door mechanism was analyzed based on dynamic statics,and a simulation model was established in MATLAB/SIMULINK,and the load torque was obtained by setting the motion trajectory of the cargo door,which contributes tothe design of the cargo door motor actuation control system.KEYWORDS:Rotary cargo door;Analytical method;Simulation model1引言运输类飞机货舱门是机身中重要且特殊的运动部件，又是设计复杂、功能要求严格、有一定代表性的部件。国外主流现役飞机公司主要有波音公司和空客公司，对于货舱门的设计波音擅用旋转式作动方式，从B737的机械旋转式到B777电动旋转式，而空客擅长使用液压直线作动。机械结构分析常见的方法有,文献1 在CATIA中建立3D模型，使用SimDesigner将模型导人ADAMS中进行动力学分析，文献2 进行了ADAMS和MATLAB/SIMULINK的协同仿真。随着多电飞机技术的发展，对于舱门这类控制系统的设计需求越来越大，需要能够方便做控制系统设计的仿真模型。文献3对直线式货舱门进行了仿真模型的搭建，文献4 对旋转式货舱门进行了仿真模型的搭建，但未考虑摇杆的质量。本文通过研究电动舱门的工作机理，考虑摇杆质量及其它非收稿日期：2 0 2 1-0 7-2 9修回日期：2 0 2 1-0 8-19线性因素，在Simulink中建立了舱门运动与受力的仿真模型，方便与舱门的作动电机模型进行对接，可以极大简化以旋转式舱门为研究对象的控制系统设计流程。2舱门结构传统的液压作动机构存在着体积大、漏油、维修不变等缺点。机电作动机构因未使用液压传动，结构得到极大简化,所占空间小，质量轻，刚性、快速性及功重比等重要性能均有不同程度提高5 。如图1所示为电动旋转式舱门的结构示意图，舱门作动机构为典型的四连杆机构，A、B、C、D 均为转动副。图1中，A和D为机身固定点，A为舱门转轴，D为连杆与机身铰接点。安装在舱门上的电机与减速机通过B点与杆BC相连，通过转动杆BC与杆CD支撑舱门开启。为研究方便，将图1机构作倾倒处理并使用向量形式将模型简化如图2。其中1、2、4为各杆杆长。以AD方向为基准，取除13572杆BC和杆CD质量较轻当作均质杆1）涉及构件当作刚体处理，不计形变为简化分析过程，做以下假设：电机舱门减速机机身MBD-1图1电动旋转式舱门结构示意图C1282+B131183A14D图2舱门机构简化向量模型外各向量的夹角分别为6,、6 2、，表示各杆作旋转运动的轨迹。由向量性质,有+,=,+1,展开可得方程组(lsin,+lsin,=l,sin0,(1)(l,cos,+lcos02=lgcos0,+l4当6,为给定值时，可依该方程组求得6 2 和6，的表达式。由此可通过对时间微分得各角的角速度、角加速度，用作后面分析。3受力分析对于四连杆机构的受力分析通常依据达朗波尔原理使用动态静力学进行解析，即分析系统运行时涉及的所有力与力矩来推导外加力矩，优势在于可以明确地计算出任何时刻作用于系统内的力与力矩，包括各运动副的反力和外加力矩。3）不计摩擦将图1中各个构件单独分析。涉及的力拆成横向和纵向分析（本文中写作向和向），因此每个刚体在列写方程时有三个等式，即外力矩和为零、x向外力和为零、向外力和为零。杆CD受重力与运动副中的反力，为其加上惯性力和惯性力矩，将每个力拆成x向和向如图3所示。在图3中，m，为杆CD质量，J，为杆CD对D的转动惯量，为,的角速度,，为，的角加速度，为杆CD的加速度,G，为杆CD重力，FR23为杆BC对杆CD的运动副反力，FR43为支座对杆CD的运动副反力。杆CD的加速度a为两部分的矢量和，即沿杆CD方向的wjl3/2、垂直于杆CD方向的3l3/2,按方向拆解外力时，将该两部分分别拆解为向和向。根据x向受力平衡、y向受力平衡、合力矩平衡，得方程组mgajl,sin 9,/2+Fr43y=Frmay+m;,l;cos 0,/2m;sl,sin0,/2+Fr23x+m3g(2)Fr4ar-m;a3l,cos 0,/2Fral,sin e,+magl,sin 0,/2=mgglj/4-Fr23yl;cos0,-J,3FR23XFR23ym:a3yG3mga3xJ3303a3FR43yFR43XD图3杆CD受力示意图FR32yFR32Xm2.a2yCG2m2a2xBERT2XT20J2/TM12图4杆BC受力示意图杆BC受重力和运动副中的反力以及电机与减速机的输出转矩，加上惯性力和惯性力矩如图4，在图中将每个力拆成x向和y向。在图4中,m为杆BC质量,J2为杆BC对B的转动惯量，2 为,的角速度，2为9,的角加速度，z为杆BC的加速度，G2为杆BC重力，FR12为舱门对杆BC的运动副反力，FR32为杆CD对杆BC的运动副反力，TM为电机及减速358机输出转矩。杆BC的加速度a2为四部分的矢量和，即沿杆BC方向的zlz/2、垂直于杆BC方向的zl2/2、沿杆AB方向的ll、垂直于杆AB方向的,l1,按方向拆解外力时,将该四部分分别拆解为向和向。根据向受力平衡、向受力平衡、合力矩平衡，可得方程组Fr32y+m20il,sin e,+m2,02l,sin 2,/2=FR12y+m2licos 0,+mzaz/.cos 0,/2Fr12z+m2g+m2wil.cos 0,+mzail/sin 0.FFr32s-mz02l.cos,/2-mza2lsin 0,/2(3)Jz2+m2gl,sin 9,/2+mzilil.cos(0,-0,)/2+mzazlj/4=Fr32l sin 2,+Fr32yl.cos 2,+mz0il,l,sin(0,-2)/2-TmmiaiyGIGmiaixF风xFA21yFR2IXBF风yOBATFR4yFR41XA图5舱门受力示意图舱门受重力、运动副中的反力、风的阻力以及电机与减速机的输出转矩，加上惯性力和惯性力矩如图5，在图中将每个力拆成x向和y向。在图5 中，点G为舱门及作动器的质心，点T为舱门的尾端，m，为舱门及作动器的质量，J，为舱门及作动器对A的转动惯量，为,的角速度，为,的角加速度，,为舱门及作动器的加速度，G，为舱门及作动器重力，Fr21为杆BC对舱门的运动副反力FR41为支座对舱门的运动副反力，F风为风载等效力，T为电机及减速机输出转矩，cAB为AB和AG的夹角，BAr为AB和AT的夹角，Qwuind为风速和水平方向的夹角，lAc为A到舱门质心的距离，IAr为A到舱门尾端的距离。根据飞机设计手册的规定，舱门在开启和关闭过程中，风速为水平的40 节，即2 0.6 m/s。根据伯努利方程，风载等效力F=pSu/2*风向同舱门受风面夹角的正弦,其中p为空气密度，S为门的最大迎风面积，为风速。根据向受力平衡、向受力平衡、合力矩平衡，得方程组Frly+Fraly+mig+m,ailacsin(e,+ecan)=pSucos(0)-0BAr)/2+m/ilAcCos(0,+OcAB)JFrml+mg+Ssin(0 0mar)cos(0mar)/2=Frm1lx-m,ailaccos(e,+cAB)-milacsin(0,+cAB)miglacsin(0,+cAB)+pSularcos(0,-0BAr)/4=TM+FrR21xlisin O,+FR21ylicos 9,-m,lac-J,i(4)另外，在数值上有FR12x二FR21xFR12y二FR21y(5)F二FR32xR23xFF二R32yR23y联立式（2）、（3）、（4）、（5）可算得各运动副间的反力和减速机输出端的负载转矩。4仿真验证4.1模型搭建在MATLAB/Simulink中建立舱门及作动机构的运动及受力分析仿真模型，如图6。BCEADMAM高数量分4高数重9 5编动分新高教象分2Ou高教雅分3酸门开胎角放ABRADRAodudtourtOuf尚教徽分高数源分1登力分新减瑰机输出特速图6舱门及作动机构的运动及受力分析仿真模型4.2仿真结果分析在仿真模型中设置货舱门运动曲线如图7 所示，30 s内，依照式（6)所示的正弦曲线从2 0 开启至12 0。根据该给12010080/60：40200051015202530时间/图7货舱门开启角度曲线359定曲线，仿真计算电机所需转矩及功率，将仿真计算结果与理论计算结果作对比，以验证运动特性分析方法的正确性和可行性。TT0,=50sin(+70(单位：度)(6)3021000.900800700UN/转600500400300.200.1000051015202530时间/图8负载转矩曲线在给定的舱门运动曲线的情况下，舱门在运动过程中所需的转矩如图8 所示，转矩先升后降。减速机输出端的转速变化，即乙ABC的变化速度曲线如图9 所示。减速机输出端的功率变化曲线如图10 所示。764.321-051015202530时间/s图9减速机输出端转速曲线5结语在MATLAB/SIMULINK中建立的旋转式货舱门模型可以很明晰地看到各个量随时间的变化，对于以旋转式货舱门为控制对象的电作动系统设计有很大帮助，包括电机和减速机的选型、电路的设计、控制律的调试等电作动系统中较关12010080.M/本60402051015202530时间/s图10减速机输出端功率变化曲线键的部分。同时，通过改变模型中的参数，如杆长、质量等，可以改变过程中负载转矩的变化，对于设计旋转式货舱门的结构参数也有很大的参考价值。参考文献：1王西超.飞行控制系统数字化设计顶层建模与模型集成技术研究D.南京航空航天大学,2 0 13.2赵剑自卸汽车举升机构及其整车动力学分析D重庆交通大学，2 0 12.3余健.基于FPGA的飞机货舱门作动器控制策略研究D.中国运载火箭技术研究院，2 0 19.4雷萍，刘冬平.基于Simulink的货舱门收放机构建模与仿真J.航空科学技术,2 0 18,2 9(11)：5 0-5 4.5许波亮.双CPU穴余机电作动器控制系统研究D.南京航空航天大学，2 0 16.作者简介王泽坤（19 9 6-）男（汉族），河北省沧州市人，硕士研究生。主要研究方向：电机伺服控制。齐蓉（19 6 2-）女（汉族），吉林省长春市人，教授，博士研究生导师。主要研究方向：电机智能控制及测试技术、运动控制技术、控制理论及应用。周素莹（19 7 8-）女（汉族），河南省驻马店市人，副教授。主要研究方向：高精度伺服控制、电力传动智能控制。高浩森（19 9 7-）男（汉族），河北省石家庄市人，硕士研究生。主要研究方向：电机伺服控制。