0 引言
5.5m×4m声学风洞尾撑试验装置由尾撑机构、液压伺服系统和电气控制系统三部分组成。尾撑机构（如图1所示）主要由变角度机构、Y向机构和地坑组成，通过变角度机构的动作以及和Y向机构的协调运动，实现模型迎角α和侧滑角β的变化，并保证模型中心在变化过程中仅沿风洞试验段中心轴线方向移动。
图1 5.5m×4m声学风洞尾撑机构三维模型
尾撑机构实现变角度运动的机理为（见图2）：迎角变化时，α油缸（两个同向）驱动迎角头绕迎角转动中心旋转，同时Y向油缸（两个同向）与α油缸协调运动，保证模型中心在风洞轴线上，迎角变化范围为-15°～+90°；侧滑角变化时，前β油缸组（两个反向）驱动前拐臂绕前侧滑铰链端偏转，同时后β油缸组（两个反向）驱动后拐臂绕后侧滑铰链端偏转，补偿模型中心横向偏移，通过前后两组油缸协调运动，确保模型中心在风洞轴线上，侧滑角变化范围为-30°～+30°；通过迎角方向、侧滑角方向和Y向三个方向的运动组合，实现模型不同姿态角的自动控制。
该尾撑机构利用电液伺服阀控制液压缸驱动重达数十吨的活动部件，其功能的实现需要机械、液压和控制等各方面协调工作，是一个复杂的机电液系统。由于尾撑机构具有3个旋转和1个平移共4个自由度，要实现模型姿态角的精确定位，并保证模型中心在变化过程中仅沿风洞试验段中心轴线方向移动，需要完善的控制策略。
图2 尾撑系统迎角和侧滑角机构计算模型
本文利用LMS公司的仿真软件Motion与AMESim对该尾撑机构的机械系统和电液控制系统分别进行了建模，并利用软件间的接口搭建联合仿真平台，实现了机电液联合仿真研究。结果表明本文提出的主从同步控制策略可以实现机构的运动要求，模型迎角、侧滑角定位精度均符合风洞试验的要求。
1 Motion/AMESim联合仿真
Motion是机械系统运动学/动力学仿真分析软件，可以对机构进行全刚体分析和刚柔耦合分析，用于模拟机械系统的实际运动和载荷。AMESim是基于直观的图形界面的系统建模和仿真平台，包含液压、机械、信号控制等一系列专业应用库，能对电液控制系统进行建模和仿真分析。
针对机电液系统，Motion/AMESim联合仿真可以充分发挥各自的特长，分析机电液系统的耦合性能和能够达到的控制指标，对所设计的系统进行整体评估。Motion和AMESim集成和联合仿真是通过软件间的接口实现的，如图3所示，接口将电液系统输出的液压能通过液压缸施加给机械系统，同时将机械系统输出的位移和速度反馈给液压缸，实现了电液系统和机械系统的耦合和集成。
图3 Motion与AMESim接口示意图
2 尾撑系统建模
2.1 机构动力学模型
尾撑机构动力学模型建模流程如下：将尾撑机构的三维CATIA模型导入Motion，根据机构实际运动关系，将尾撑机构的零部件进行简化；然后将简化的零件转换为刚体构件，添加运动副、驱动和外界作用力与力矩。初始时，尾撑机构静止不动，模型的迎角α和侧滑角β均为0°。完成的机构动力学模型如图4所示。
图4 尾撑机构动力学模型
2.2 电液控制系统模型
使用AMESim的液压、机械、信号控制库创建电液控制系统模型,如图5所示。模型包括液压、控制和接口三个部分，共同组成了电液伺服位置控制系统。
如图，油源通过三台电机分别带动三台油泵工作，每台油泵流量为100L/min，不足流量由蓄能器组提供。系统工作压力为21MPa。为减少伺服阀数量，降低系统成本，利用一只电液伺服阀控制两只油缸。压力油由4个电液伺服阀控制进入4组共8个液压缸。油缸和电液伺服阀的主要技术参数由表1给出。
图5 尾撑机构电液控制系统模型
表1 尾撑机构油缸和电液伺服阀主要技术参数
3 联合仿真分析
3.1 控制策略
进行吹风试验时，模型姿态角有三种运动模式：变α、定β；定α、变β；变α、变β。定α、变β运动模式只涉及前后侧滑角机构的协调运动，变α、定β（β=0°）运动模式只涉及迎角机构和Y向机构的协调运动，二者相对简单。
变α、定β（β≠0°）和变α、变β两种运动模式，需要迎角机构、Y向机构、前后侧滑角机构4个自由度协调运动，控制相对复杂。
考虑到Y向机构和后侧滑机构主要用以补偿模型中心的垂向和横向偏移，属于从动机构。因此，针对模型姿态角的三种变化模式，提出如图6所示的主从同步控制策略。
初始时刻，迎角和侧滑角均为零。侧滑角β固定，变迎角α时，给定迎角信号，利用α油缸直线位移传感器实际测得的位移值解算出模型中心的垂向偏移，进而驱动Y向机构运动加以补偿。同理，迎角α固定，变侧滑角β时，给定侧滑角信号，利用前侧滑油缸直线位移传感器实际测得的位移值解算出模型中心的横向偏移，进而驱动后侧滑机构运动加以补偿。迎角α和侧滑角β同时变化时，Y向机构和后侧滑机构同时动作，分别补偿模型中心的垂向和横向偏移。此时，迎角机构和侧滑角机构相互之间有影响，需协调考虑。
图6 尾撑机构姿态角主从控制框图
3.2 仿真结果分析
初始时刻，尾撑机构处于静止状态，模型迎角和侧滑角均为零，模型中心在试验段中心线垂直面上的投影坐标为（17000mm，0mm）。
对侧滑角β固定，迎角α变化工况，设定α=80°、β=0°，仿真时间200s。模型姿态角变化曲线如图7所示，对应模型中心偏离风洞试验段中心的距离如图8所示。可以看出，定位80s后，模型迎角误差小于0.05°，侧滑角误差小于0.004°；整个变化过程，模型中心偏离风洞试验段中心的距离小于2cm。
图7 α=80°、β=0°时，模型姿态角变化曲线
图8 α=80°、β=0°时，模型中心位置变化曲线
对迎角α固定，侧滑角β变化工况，设定α=0°、β=30°，仿真时间200s。模型姿态角变化曲线如图9所示，对应模型中心偏离风洞试验段中心的距离如图10所示。可以看出，定位80s后，模型迎角误差小于0.04°，侧滑角误差小于0.01°；整个变化过程，模型中心偏离风洞试验段中心的距离小于1cm。
图9 α=0°、β=30°时，模型姿态角变化曲线
图10 α=0°、β=30°时，模型中心位置变化曲线
对侧滑角β和迎角α同时变化工况，设定α=80°、β=30°，仿真时间200s。模型姿态角变化曲线如图11所示，对应模型中心偏离风洞试验段中心的距离如图12所示。可以看出，定位80s后，模型迎角误差小于0.05°，侧滑角误差小于0.01°；整个变化过程，模型中心偏离风洞试验段中心的距离小于2cm。
图11 α=80°、β=30°时，模型姿态角变化曲线
图12 α=80°、β=30°时，模型中心位置变化曲线
综合以上三种工作模式，从仿真结果可以看出，定位80s后，模型迎角误差均小于0.05°，侧滑角误差小于0.01°；整个变化过程，模型中心偏离风洞试验段中心的距离小于2cm。
4 结论
本文借助仿真软件Motion和AMESim，对5.5m×4m声学风洞多自由度尾撑装置进行了机电液一体化建模与全刚体仿真分析。结果表明，采用主从同步控制策略，尾撑机构可以实现模型姿态角的精确定位，并保证模型中心在变化过程中仅沿风洞试验段中心轴线方向移动，满足风洞试验的要求。结果还表明，Motion/AMESim联合仿真平台能方便快捷的对机电液系统进行建模，预测系统的性能，对机电液系统的设计和分析具有重要的作用。
