飛機(jī)舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)

航空舵機(jī)系統(tǒng)工程1.前言飛行器依靠操縱面的擺動(dòng)產(chǎn)生空氣氣動(dòng)力或力矩，從而改變飛行器的飛行姿態(tài)。由于現(xiàn)代飛行器的性能大大提升，空氣動(dòng)力和操縱特性較傳統(tǒng)更加復(fù)雜，自動(dòng)駕駛/操縱控制回路的引入不可避免，電傳操縱勢(shì)在必行。而對(duì)于無(wú)人飛行器（無(wú)人機(jī)，導(dǎo)彈等），則只能依靠電傳的形式實(shí)現(xiàn)操縱。因此，舵機(jī)（伺服作動(dòng)器）就成為目前大多數(shù)飛行器氣動(dòng)操縱面的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的人力機(jī)械傳動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)作為有人駕駛飛行器的冗余/備份操縱系統(tǒng)使用。從工作原理來看，航空舵機(jī)一般分為液力和電動(dòng)兩種。作動(dòng)形式以位置伺服為主。液力舵機(jī)使用靜液傳動(dòng)的形式將泵源的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)槎鏅C(jī)的動(dòng)作。使用各種流量控制閥控制液壓能量。流量控制閥多數(shù)為電液元器件（也有純機(jī)械作動(dòng)的），因此液力舵機(jī)可認(rèn)為是電傳執(zhí)行元件。液力舵機(jī)具有慣性小，相應(yīng)快，功率大的優(yōu)點(diǎn)；也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)麻煩等不足。液力舵機(jī)已經(jīng)過多年應(yīng)用，成熟可靠，是大多數(shù)載人航空器的操縱執(zhí)行裝置。氣動(dòng)舵機(jī)與液力舵機(jī)的工作原理相近，在某些導(dǎo)彈和無(wú)人飛行器上得到應(yīng)用，在有人駕駛航空器上則很少應(yīng)用。隨著功率電子和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)舵機(jī)也在近些年迅速發(fā)展。電動(dòng)舵機(jī)直接利用機(jī)載電源，無(wú)需另設(shè)能源供給形式，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，增強(qiáng)了適應(yīng)性和維護(hù)性；而且電機(jī)等機(jī)電元件的發(fā)展也提高了電動(dòng)舵機(jī)的帶載和響應(yīng)能力。目前，電動(dòng)舵機(jī)多用在無(wú)人機(jī)和導(dǎo)彈上，載人飛行器上也有少量應(yīng)用。舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述舵機(jī)是一個(gè)包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，液壓元件，機(jī)電元件和電子控制裝置的機(jī)電液一體化系統(tǒng)。舵機(jī)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)涉及多個(gè)工程學(xué)科領(lǐng)域。從完成的功能角度來看，舵機(jī)也可分為不同的部分。對(duì)舵機(jī)的分析和設(shè)計(jì)必然是多種方法和工具的綜合使用。舵機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)包括基本性能指標(biāo)（行程，驅(qū)動(dòng)能力，響應(yīng)速度），結(jié)構(gòu)尺寸（體積，重量，安裝方式）和與產(chǎn)品壽命，維護(hù)性，其他系統(tǒng)之間配合（散熱）等相關(guān)的指標(biāo)。液力舵機(jī)和電動(dòng)舵機(jī)構(gòu)造和工作原理不同，響應(yīng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)內(nèi)容都存在著顯著差異。下面就兩種類型系統(tǒng)闡述基本設(shè)計(jì)內(nèi)容，后續(xù)章節(jié)將對(duì)所涉及的工具和過程/方法進(jìn)行介紹。液力舵機(jī)構(gòu)成和設(shè)計(jì)內(nèi)容構(gòu)成液力舵機(jī)一般由機(jī)械結(jié)構(gòu)，流體控制元件，伺服控制器，油缸等組成。液力舵機(jī)利用機(jī)載油泵產(chǎn)生的高壓油液，在流體控制元件的控制下，以靜液傳動(dòng)的方式推動(dòng)油缸活塞運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步推動(dòng)與活塞相連的傳動(dòng)桿系，使舵面產(chǎn)生伺服運(yùn)動(dòng)。伺服控制器是個(gè)電子裝置，接受反饋元件測(cè)量得到的油缸活塞位置，并與飛控系統(tǒng)發(fā)出的伺服指令信號(hào)比較，經(jīng)過控制算法處理，形成電液伺服閥的控制電信號(hào)。設(shè)計(jì)液力舵機(jī)的設(shè)計(jì)主要是機(jī)械零部件部分和伺服控制器的設(shè)計(jì)。機(jī)械零件部分則主要是流體機(jī)械——油路，油缸，伺服閥和其他流體控制元件。機(jī)械設(shè)計(jì)的基本工具是CAD類型的繪圖工具，最終形成產(chǎn)品組成零件的幾何造型和尺寸，供加工使用。流體機(jī)械部分的設(shè)計(jì)是液力舵機(jī)設(shè)計(jì)的核心，必須基于對(duì)流體系統(tǒng)的特性分析進(jìn)行。由于舵機(jī)的專用性，整個(gè)流體機(jī)械系統(tǒng)部分和其中的元件（伺服閥，油缸等）均需分別設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)通常先按一定工程經(jīng)驗(yàn)給出基本設(shè)計(jì)，然后通過使用一維流體CAE工具作的系統(tǒng)仿真對(duì)基本設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行必要的調(diào)整，直到形成最終的流體機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和圖紙。需要指出，流體機(jī)械的發(fā)熱將極大影響系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性（包括整機(jī)液壓回路），其計(jì)算也在一維流體CAE工具中進(jìn)行。除了流體機(jī)械外，機(jī)械設(shè)計(jì)還包括備份操縱機(jī)構(gòu)和機(jī)械冗余表決解算裝置等。這些都是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分，其運(yùn)動(dòng)形式/效果也是基于工程經(jīng)驗(yàn)給出初步設(shè)計(jì)，利用機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)CAE工具仿真的方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)并給出修改意見。機(jī)械設(shè)計(jì)還有一部分針對(duì)零件自身的計(jì)算任務(wù)，即各個(gè)零件根據(jù)工作時(shí)的載荷條件進(jìn)行強(qiáng)度校核。以此確認(rèn)合理的零件結(jié)構(gòu)形式，材料和相關(guān)的加工工藝。同時(shí)還有零部件熱傳導(dǎo)方面的考慮。分析所用的數(shù)理方法一般是有限元法（FEM），可借助相應(yīng)工具開展。伺服控制器負(fù)責(zé)綜合反饋信號(hào)和控制指令信號(hào)，形成電液流體控制元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。伺服控制器使用模擬或數(shù)字式的電子電路實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)一般包括兩個(gè)部分——控制功能和硬件實(shí)現(xiàn)?？刂乒δ軐?shí)現(xiàn)按基本控制設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)形成算法，通過全系統(tǒng)仿真驗(yàn)證?？刂扑惴ǖ拈_發(fā)需要同時(shí)結(jié)合流體機(jī)械和其他機(jī)構(gòu)部分的仿真模型進(jìn)行，適當(dāng)調(diào)整后成為最終算法模型（其中包含冗余控制算法）。根據(jù)理論控制模型（算法），可以用模擬或數(shù)字式的電子電路形式實(shí)現(xiàn)。硬件實(shí)現(xiàn)過程可使用各種EDA工具。為了降低硬件（含代碼編寫任務(wù)）開發(fā)本身的風(fēng)險(xiǎn)和成本（時(shí)間，物質(zhì)的），控制算法在成為具體產(chǎn)品硬件之前，還需通過一定的硬件原型在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上予以確認(rèn)和調(diào)整。這一過程可借助快速控制原型進(jìn)行。需要指出的是，所有這些分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)相互依賴和影響，分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均不能完全獨(dú)自進(jìn)行，需要相互配合才能達(dá)成。電動(dòng)舵機(jī)構(gòu)成和設(shè)計(jì)內(nèi)容構(gòu)成電動(dòng)舵機(jī)一般由機(jī)械結(jié)構(gòu)，電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)（一般為齒輪系），功率驅(qū)動(dòng)和伺服控制器等組成。電動(dòng)舵機(jī)直接使用機(jī)載發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力，在伺服控制器作用下經(jīng)過功率驅(qū)動(dòng)變?yōu)楹线m的電壓/電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電動(dòng)機(jī)相對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力/力矩要小，所以還需經(jīng)過適當(dāng)?shù)凝X輪減速后輸出。伺服控制器是電子裝置，接受動(dòng)力輸出端反饋元件測(cè)量得到的轉(zhuǎn)角/位移并與飛控系統(tǒng)發(fā)出的伺服指令信號(hào)比較，經(jīng)過控制算法處理，形成功率驅(qū)動(dòng)部分的控制電信號(hào)。動(dòng)力輸出端帶動(dòng)舵面產(chǎn)生伺服運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)包括機(jī)械零部件（主要是殼體和傳動(dòng)系），電機(jī)本體，功率驅(qū)動(dòng)和伺服控制TO器。電動(dòng)舵機(jī)殼體設(shè)計(jì)根據(jù)傳動(dòng)系和電機(jī)安裝空間等要求安排。傳動(dòng)系配合電機(jī)一起設(shè)計(jì)。殼體部分使用CAD工具進(jìn)行。同液力舵機(jī)一樣，也需通過FEM工具對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了傳統(tǒng)CAD內(nèi)容外，還需借助專門工具對(duì)傳動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)估（壽命，平穩(wěn)性），包括傳動(dòng)比，間隙，摩擦，嚙合應(yīng)力和沖擊等。由于專用性，電機(jī)本體也需專門設(shè)計(jì)。出于壽命，可靠性和維護(hù)性考慮，目前以使用永磁直流無(wú)刷電機(jī)為主。電機(jī)設(shè)計(jì)以電磁場(chǎng)的分布和相互作用為基礎(chǔ)的計(jì)算。電機(jī)的分析和設(shè)計(jì)有專門的理論和工具，并需要同傳動(dòng)系和舵機(jī)性能指標(biāo)配合設(shè)計(jì)。電機(jī)和傳動(dòng)系的所有機(jī)械部分在設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)以CAD圖紙的形式輸出，供加工使用。同液力舵機(jī)相似，機(jī)械備份操縱機(jī)構(gòu)和冗余表決解算裝置，也要利用機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)CAE工具仿真的方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)并給出修改意見。零件自身的強(qiáng)度校核同樣借助有限元法（FEM）和相應(yīng)工具進(jìn)行，確認(rèn)合理的零件結(jié)構(gòu)形式，材料和相關(guān)的加工工藝。伺服控制器負(fù)責(zé)綜合反饋信號(hào)和控制指令信號(hào)，形成電機(jī)控制信號(hào)。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程與液力舵機(jī)伺服控制器類似。電動(dòng)舵機(jī)的伺服控制器輸出提供給電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元，最終推動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。出于開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本（時(shí)間，物質(zhì)）的考慮，控制算法在產(chǎn)品化之前，需通過快速控制原型在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上予以確認(rèn)和調(diào)整。功率驅(qū)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)有效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保證，它一般是由開關(guān)形式工作的電力電子元器件和驅(qū)動(dòng)這些器件的調(diào)速控制器組成。即電機(jī)本身的調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制也是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)（這一點(diǎn)與伺服閥本體的工作形態(tài)類似）。功率驅(qū)動(dòng)屬于強(qiáng)電型功率電子電路，硬件實(shí)現(xiàn)使用EDA工具；而功能驗(yàn)證則需通過局部系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)時(shí)不僅要考慮電機(jī)的調(diào)速和負(fù)載能力，還需要考慮對(duì)電源的反向影響，減少干擾。目前，功率驅(qū)動(dòng)回路以數(shù)字式為主。同樣，產(chǎn)品化之前，也需通過快速控制原型在予以確認(rèn)和調(diào)整。同液力舵機(jī)不同，電動(dòng)舵機(jī)具有傳動(dòng)系（前者為直接驅(qū)動(dòng)輸出），對(duì)其整體性能影響較大，也造成各個(gè)部分動(dòng)態(tài)特性之間的相互耦合比較緊密。因此各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必須密切配合，通常通過模型提取和聯(lián)合仿真的方式對(duì)整個(gè)電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)估。驗(yàn)證伺服控制和功率驅(qū)動(dòng)的快速控制原型實(shí)驗(yàn)在此也將發(fā)揮重要作用。分析/設(shè)計(jì)工具及其相互接口目前已有多種工具軟件針對(duì)舵機(jī)分析和設(shè)計(jì)過程中的不同專業(yè)應(yīng)用。2.3.1.CAD工具機(jī)械CAD工具主要完成零部件的圖紙繪制。圖紙表達(dá)了零件的幾何構(gòu)造和尺寸，和其他零件的裝配關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)副的連接關(guān)系（即相對(duì)的運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系）。CAD圖紙模型經(jīng)過一定處理可將設(shè)計(jì)信息提供給動(dòng)力學(xué)建模環(huán)境，構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型。幾何造型也可以提供給有限元分析程序進(jìn)行強(qiáng)度校核。常用的CAD工具UG，CATIA，Pro-E等。它們都可以生成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換文件格式。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度FEM工具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算一般基于有限元分析方法（FEM）進(jìn)行，主要完成兩個(gè)任務(wù)。1、 零件的應(yīng)力分析，即計(jì)算在工作極限載荷作用下（力，力矩，流體壓力等），零件內(nèi)部的應(yīng)力分布，由此確定CAD設(shè)計(jì)內(nèi)容的調(diào)整，材料，加工工藝并推算零件的壽命等。2、 有限元模型假設(shè)機(jī)械零件為可變形的彈性體，因此可以從其中提取零件的柔性體模型（零件在載荷作用下會(huì)變形，在交變載荷作用下會(huì)振動(dòng)）。提取的模型可用于替代動(dòng)力學(xué)分析所用的純剛性體零件模型，用以考察機(jī)械結(jié)構(gòu)柔性對(duì)系統(tǒng)特性的影響。有限元分工具有Ansys，Nastran，Abaquas等。分析結(jié)果通過適當(dāng)?shù)暮筇幚砉ぞ哌M(jìn)行觀察或是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以應(yīng)用在其它分析環(huán)境中。傳動(dòng)系CAE工具傳動(dòng)系分析和設(shè)計(jì)專門針對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，即齒輪嚙合過程。其分析可以分為兩個(gè)方面。1、 整個(gè)齒輪嚙合傳動(dòng)系的傳動(dòng)平穩(wěn)性，由于嚙合間隙產(chǎn)生的沖擊，摩擦（發(fā)熱）問題等等動(dòng)力學(xué)過程。2、 齒輪本體在傳動(dòng)嚙合過程中所受到的載荷以及應(yīng)力分布，用于評(píng)估齒輪極限載荷和壽命等指標(biāo)。根據(jù)不同應(yīng)用側(cè)重，相應(yīng)分析工具也不盡相同?？疾靷鲃?dòng)性能時(shí)，須構(gòu)建整個(gè)傳動(dòng)系的動(dòng)力學(xué)模型，這可使用Ricardo/Valdyn，Simulink/Simdriveline等軟件完成。傳動(dòng)系動(dòng)力學(xué)模型可進(jìn)一步與機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，電機(jī)和控制系統(tǒng)模型相結(jié)合，考察動(dòng)力系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)性能?？疾忑X輪嚙合特性和動(dòng)態(tài)載荷分布時(shí)，可使用Romax齒輪傳動(dòng)專業(yè)分析軟件?？稍敿?xì)給出齒型，幾何尺寸等對(duì)載荷分布，傳動(dòng)平穩(wěn)性和沖擊（噪聲）的影響。分析中多使用有限元模型計(jì)算。傳動(dòng)系建模分析工作在電動(dòng)舵機(jī)的設(shè)計(jì)過程中占有較大的任務(wù)量，液力舵機(jī)一般沒有齒輪傳動(dòng)系，此類分析工作量較小。2.3.4.機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)CAE工具動(dòng)力學(xué)分析是采用建立機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型，通過仿真考察系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。主要研究：1） 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，包括運(yùn)動(dòng)軌跡，速度，加速度等信息。運(yùn)動(dòng)干涉檢查在此完成。2） 機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中每個(gè)零件所承受的動(dòng)態(tài)載荷。這一分析結(jié)果將作為零件強(qiáng)度校核的邊界條件。舵機(jī)上的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)功能主要是機(jī)械備份操作裝置和機(jī)械余度裝置（表決機(jī)構(gòu)），通過動(dòng)力學(xué)仿真可以考察當(dāng)前機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)下的實(shí)際機(jī)械行為和動(dòng)態(tài)載荷，對(duì)機(jī)械備份和余度裝置的功能，壽命和可靠性檢驗(yàn)具有重要意義。動(dòng)力學(xué)仿真工具使用CAD圖紙的零件幾何參數(shù)和鉸鏈連接關(guān)系定義，基于物理系統(tǒng)組合方式描述機(jī)械結(jié)構(gòu)，軟件自動(dòng)提取動(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行計(jì)算，輸出結(jié)果為運(yùn)動(dòng)參數(shù)和各零件的載荷指標(biāo)。柔性體零件模型應(yīng)用于機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，可考察機(jī)構(gòu)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)交變?cè)俸妥饔孟碌淖冃魏驼駝?dòng)問題。動(dòng)力學(xué)仿真模型還可以為電氣/液壓作動(dòng)部分提供動(dòng)態(tài)載荷模型，用以考察系統(tǒng)的閉環(huán)性能并輔助控制算法開發(fā)。這時(shí)通常需要綜合機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，流體機(jī)械，機(jī)電元件和控制系統(tǒng)的模型進(jìn)行綜合仿真。動(dòng)力學(xué)常用的工具軟件有ADAMS，Simulink/Simechanics等。一維流體CAE工具液力舵機(jī)以靜液傳動(dòng)原理工作，可使用一維流體模型方式建模分析。流體的流動(dòng)和控制特性直接決定了液壓元器件的選擇/設(shè)計(jì)和其他機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。一維流體模型同控制系統(tǒng)模型類似，屬于集總參數(shù)模型，底層運(yùn)算形式為微分方程。專業(yè)的液壓系統(tǒng)一維流體分析工具直接提供了液壓系統(tǒng)元件的參數(shù)化模型庫(kù)，按照工程圖的描述形式可迅速建立起系統(tǒng)的一維性能分析模型，只需輸入對(duì)應(yīng)元器件的實(shí)際參數(shù)即可開始仿真運(yùn)算。另外，使用者也可將自行開發(fā)的參數(shù)化模型加入其中，形成自己的專家知識(shí)庫(kù)。一維流體模型計(jì)算液壓管路和流體控制元件（受控制器控制）的壓力和流量，油缸的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和輸出力/力矩，同時(shí)還有整個(gè)系統(tǒng)的溫度變化。除了滿足舵機(jī)性能評(píng)價(jià)以外，這些參數(shù)還可以提供給全機(jī)液壓系統(tǒng)作設(shè)計(jì)參考（如蓄能器和散熱器等附件）。一些液壓系統(tǒng)的特有現(xiàn)象，如油擊和機(jī)液耦合震蕩也可以在一維流體模型仿真中予以評(píng)估。液壓系統(tǒng)模型可以同機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)模型結(jié)合仿真，以評(píng)估舵機(jī)系統(tǒng)整體性能并開發(fā)控制算法。常用的液壓系統(tǒng)一維流體分析工具有，Hypneu，AMESIM，EASY5等。機(jī)電元件CAE工具主要用于電動(dòng)舵機(jī)中的伺服電機(jī)設(shè)計(jì)。液力舵機(jī)伺服閥的力矩馬達(dá)部分和其他磁電類作動(dòng)元件也屬于機(jī)電元件設(shè)計(jì)范疇。電機(jī)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)方面，伺服電機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備。伺服電機(jī)的基本工作原理是磁電能量的轉(zhuǎn)換。其分析和設(shè)計(jì)也基于電磁場(chǎng)的計(jì)算進(jìn)行。根據(jù)分析結(jié)果確認(rèn)合適的電機(jī)構(gòu)造和材料。機(jī)電元件電磁場(chǎng)分析雖然多采用有限元形式的數(shù)學(xué)模型，但一般采用專用的工具較為方便，主要有Ansoft。另外，Ansoft還可以完成電磁兼容性（EMC）方面的計(jì)算。伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備需配合電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行。這時(shí)必須使用電機(jī)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。通常是根據(jù)電磁場(chǎng)分析設(shè)計(jì)的結(jié)果提取電機(jī)的參數(shù)化模型，在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真環(huán)境中復(fù)現(xiàn)，配合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具建立電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)控制策略。相應(yīng)算法通過EDA工具作硬件實(shí)現(xiàn)。力矩馬達(dá)和電磁鐵等元件參數(shù)化模型也可以根據(jù)電磁場(chǎng)分析結(jié)果提取為參數(shù)化模型（如傳遞函數(shù)）。常用的電機(jī)參數(shù)化建模和控制策略設(shè)計(jì)工具有SABER，EASY5，AMESIM，Simulink/Simpower等。電機(jī)參數(shù)化模型（含驅(qū)動(dòng)器）可進(jìn)一步與機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和伺服控制系統(tǒng)模型結(jié)合，完成整個(gè)舵機(jī)的閉環(huán)回路。2.3.7.控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計(jì)工具控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮系統(tǒng)閉環(huán)伺服控制算法和反饋/測(cè)量器件的特性對(duì)控制性能的作用。具體硬件實(shí)現(xiàn)為模擬式或數(shù)字控制器電路實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)過程在EDA工具平臺(tái)上進(jìn)行?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)具體的被控對(duì)象。通過與機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，一維流體機(jī)械和電機(jī)/傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型的集成仿真計(jì)算，可以設(shè)計(jì)，驗(yàn)證和優(yōu)化系統(tǒng)閉環(huán)控制算法?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)首先要解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題（由于空程，摩擦等一系列非線性特性造成），然后向需求定義的響應(yīng)特性指標(biāo)優(yōu)化?？刂葡到y(tǒng)算法通常表達(dá)為數(shù)學(xué)方程，而且主要是微分方程形式。諸如MATLAB/Simulink這樣的控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)工具即可進(jìn)行此類應(yīng)用。軟件還提供了大量與第三方軟件的數(shù)據(jù)接口，方便系統(tǒng)模型的集成。無(wú)論是舵機(jī)伺服控制算法（適用于液力和電動(dòng)舵機(jī)）還是驅(qū)動(dòng)控制算法（僅適用于電動(dòng)舵機(jī)），在設(shè)計(jì)進(jìn)入EDA硬件設(shè)計(jì)之前，必須通過一定手段予以驗(yàn)證。這就是快速控制原型實(shí)驗(yàn)——通過控制原型對(duì)實(shí)際被控對(duì)象的操縱確認(rèn)控制算法。需要注意的是，此時(shí)舵機(jī)系統(tǒng)其他部分實(shí)際已經(jīng)初步成型。常用的控制系統(tǒng)快速原型測(cè)試工具有DSPACE，Simulink/XPC等。其中DSPACE幾乎是這方面應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)工具。2.3.8.EDA工具（包括快速控制原型工具）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到算法轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的電子硬件裝置涉及為兩種工作任務(wù)類型，一種是純粹的硬件電路，另外一種是運(yùn)行在產(chǎn)品硬件上的控制代碼（對(duì)數(shù)字式控制器而言）。電子元器件的選擇，電路制版等主要是應(yīng)用EDA工具進(jìn)行，如Protel，Cadence，Mentor等，一些與電子電路有關(guān)的非電子類設(shè)計(jì)也可以由這些工具完成，例如電路板熱負(fù)荷分析?？刂扑惴ㄔ诮?jīng)過快速原型實(shí)驗(yàn)確認(rèn)后，即可編寫相應(yīng)的控制代碼。這一過程可以手工進(jìn)行，也可以借助一些商業(yè)化的自動(dòng)代碼生成工具，例如Simulink/RTW/EmbededCoder，DSPACE/TargetLink，TNI/RT-Buildo另外，采用可編程邏輯器件時(shí)（GAL，PLD，CPLD，F(xiàn)PGA等），還可以使用MATLAB/VHDLGenerator，Altera/SystemGenerator等。當(dāng)采用Simulink/RTW，Simulink/EmbededCoder，DSPACE/TargetLink時(shí)，可直接繼承控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具的算法模型，形成所謂的“基于模型的設(shè)計(jì)”流程。代碼檢查則可使用TNI/STB，SCB工具，從編碼角度保證代碼的效率和可靠性。另外，代碼的性能/功能檢測(cè)一般通過其在硬件上的運(yùn)行完成，使用硬件在回路仿真測(cè)試（HIL）完成這類工作。常用工具有DSPACE/Simulator。各工具之間的設(shè)計(jì)信息接口從以上對(duì)舵機(jī)本身設(shè)計(jì)內(nèi)容和所使用工具的特點(diǎn)可以看到，設(shè)計(jì)是與分析緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)相互提供設(shè)計(jì)參數(shù)和約束。因此，舵機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)過程必然是集成化開發(fā)形式。需要每個(gè)環(huán)節(jié)的模型和參數(shù)都能相互溝通。目前大多數(shù)工程軟件工具都提供了這樣的能力。根據(jù)如上軟件工具的任務(wù)和功能，各工具之間的數(shù)據(jù)交換形式可分為兩類：1、設(shè)計(jì)參數(shù)接口某一零部件/環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)分析（工具）所需的參數(shù)和指標(biāo)需要由其他設(shè)計(jì)/分析環(huán)節(jié)（工

具）提供，例如動(dòng)力學(xué)分析需要CAD提供的機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)和鉸鏈定義，油缸CAD設(shè)計(jì)需要一維流體分析得到的油缸基本造型參數(shù)（行程，缸徑等）。2、聯(lián)合仿真接口不少工具軟件采取建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行時(shí)域仿真的方式檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果。同時(shí)，這種數(shù)字化模型虛擬的運(yùn)行也可以輔助設(shè)計(jì)的開展和優(yōu)化。由于每種工具僅針對(duì)所屬的專業(yè)系統(tǒng)和環(huán)節(jié)，所需其他系統(tǒng)部分的邊界條件一般采用人為給定的一些代表性數(shù)據(jù)或是實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。目前，仿真工具之間也提供了直接的模型數(shù)據(jù)接口，也就是說一種工具建立的部分仿真模型運(yùn)行時(shí)，其邊界條件可以由其他工具建立的仿真模型部分提供，這兩個(gè)（或更多個(gè)）仿真模型同步運(yùn)行計(jì)算。這種工作方式也稱為“聯(lián)合仿真（Co-Simulation）”。例如：液壓系統(tǒng)仿真（一維流體分析）可計(jì)算輸出油缸活塞上的力，通過與動(dòng)力學(xué)模型的接口，這個(gè)力作用在機(jī)構(gòu)上，計(jì)算出活塞在推動(dòng)實(shí)際負(fù)載機(jī)構(gòu)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，這個(gè)結(jié)果也將影響液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。需要指出的是，并不是所有的工具和模型之間都存在直接的仿真模型連接或是設(shè)計(jì)參數(shù)接口。例如：電磁場(chǎng)分析得到的電機(jī)設(shè)計(jì)不能直接用作性能分析的仿真模型，這時(shí)需要結(jié)合設(shè)計(jì)所得的參數(shù)和建模知識(shí)，在系統(tǒng)仿真環(huán)境中重建電機(jī)的仿真模型。一些輔助建模工具，如MATLAB/ParameterEstimation和SystemIdentification工具箱，可以根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)快捷方便的建立物理元器件的仿真模型。這個(gè)過程一般稱為“模型提取”。各種類型的專業(yè)工具在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的和相互集成關(guān)系可用下圖說明。物理系統(tǒng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)ADAMS，Simechanics驅(qū)動(dòng)器控制代碼控制系統(tǒng)Simulmk電子電路Mentor,CadenceProtel快速原型DSPACE，XPCRTW/Ecoder，TargetLink工程設(shè)計(jì)分析工具的集成物理系統(tǒng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)ADAMS，Simechanics驅(qū)動(dòng)器控制代碼控制系統(tǒng)Simulmk電子電路Mentor,CadenceProtel快速原型DSPACE，XPCRTW/Ecoder，TargetLink工程設(shè)計(jì)分析工具的集成CAD造型CATIAPro/EUGFEM結(jié)構(gòu)分析Nastran，Ansys傳動(dòng)鏈Valdyn,Romax液壓元件EASY5,AMESIM,Hypenu系統(tǒng)控制代碼這些工具之間的集成方式和數(shù)據(jù)接口可參見下表：設(shè)計(jì)/分析環(huán)節(jié)輸入設(shè)計(jì)/分析環(huán)節(jié)輸出設(shè)計(jì)接口仿真接口設(shè)計(jì)接口仿真接口CAD運(yùn)動(dòng)形式，零件載何，安裝空間幾何尺寸，鉸鏈形式/位置，材料FEM強(qiáng)度校核幾何尺寸，材料，載荷條件應(yīng)力/應(yīng)變，零件彈性體模型機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)零件幾何尺寸，鉸鏈連接關(guān)系，零件彈性體模型驅(qū)動(dòng)/載荷力，力矩，鉸鏈副，幾何結(jié)構(gòu)，尺寸零件動(dòng)態(tài)載荷運(yùn)動(dòng)參數(shù)（位移，角速度等）傳動(dòng)系設(shè)計(jì)傳動(dòng)比，傳動(dòng)系載荷驅(qū)動(dòng)和負(fù)載端的轉(zhuǎn)矩Romax設(shè)計(jì)后經(jīng)模型提取變?yōu)閂aidyn仿真模型電機(jī)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)端和負(fù)載端的角速度/角位移控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)舵機(jī)系統(tǒng)性能指標(biāo)。穩(wěn)定性，響應(yīng)速度，精度物理參數(shù)反饋（運(yùn)動(dòng)參數(shù)，力參數(shù)，溫度，壓力等物理量）指令信號(hào)控制算法（硬件開發(fā)使用快速原型使用）控制信號(hào)電機(jī)（機(jī)電CAE）轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性，幾何尺寸等控制信號(hào)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)，電壓，電流，溫度幾何造型，電氣驅(qū)動(dòng)參數(shù)Ansoft設(shè)計(jì)后經(jīng)模型提取變?yōu)镾imuiink仿真模型驅(qū)動(dòng)力/力矩，電壓，電流，溫度參數(shù)反饋液壓系統(tǒng)（流體CAE）舵機(jī)性能指標(biāo)，系統(tǒng)工作壓力，流量，溫度要求控制信號(hào)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)，系統(tǒng)壓力，溫度液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)，用于機(jī)械設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力/力矩系統(tǒng)壓力，溫度參數(shù)反饋控制裝置電子硬件（包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)）控制算法電控裝置硬件電路分析工具間的設(shè)計(jì)／仿真數(shù)據(jù)接口從上面列表可以看出，所有的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都具有設(shè)計(jì)參數(shù)接口。但是，用于性能驗(yàn)證的仿真模型，則只包含控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，電機(jī)系統(tǒng)（需經(jīng)模型提取得到），機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和傳動(dòng)系（需經(jīng)模型提取得到）的模型集成。舵機(jī)開發(fā)系統(tǒng)工程和平臺(tái)系統(tǒng)工程和數(shù)字虛擬原型舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，遵循系統(tǒng)工程的規(guī)律和方法。除了必要的工具手段，技術(shù)力量和科學(xué)的管理方法也是高質(zhì)量產(chǎn)品成功開發(fā)的必要條件。舵機(jī)項(xiàng)目開發(fā)一般需要經(jīng)歷：需求開發(fā)，總體設(shè)計(jì)，分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成測(cè)試和產(chǎn)品化設(shè)計(jì)幾個(gè)階段。需求開發(fā)明確舵機(jī)產(chǎn)品所要滿足的使用要求。包括基本作動(dòng)性能指標(biāo)，工作條件，可靠性指標(biāo)，維護(hù)條件等。除了顯示提出的技術(shù)要求外，還需要挖掘相關(guān)的潛在技術(shù)要求，最后形成記錄文檔。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中，詳細(xì)的需求開發(fā)一般在總體設(shè)計(jì)初期，利用系統(tǒng)數(shù)字虛擬原型進(jìn)行。需求開發(fā)的結(jié)果即是整個(gè)開發(fā)過程所要遵循的依據(jù)。項(xiàng)目進(jìn)程中需要隨時(shí)對(duì)需求進(jìn)行跟蹤和管理，保證項(xiàng)目朝著正確的方向進(jìn)行。借助商業(yè)化軟件工具，如TNI/Reqtify，Cradle/REQ可以將工作產(chǎn)品（圖紙，模型，代碼和文檔等）與原始需求聯(lián)系起來，在開發(fā)進(jìn)程中可方便的查找原始需求定義和相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容，隨時(shí)跟蹤需求的完成和變更，作為項(xiàng)目管理的依據(jù)。這里，TNI/Reqtify,Cradle/REQ屬于配置管理范疇，并貫穿舵機(jī)系統(tǒng)工程始終。總體設(shè)計(jì)與數(shù)字虛擬原型總體設(shè)計(jì)完成兩個(gè)主要功能：1） 在設(shè)計(jì)開始時(shí)確認(rèn)基本設(shè)計(jì)方案（技術(shù)途徑），并在以最終的產(chǎn)品性能為目標(biāo)，解析出各個(gè)零部件（分系統(tǒng)）所應(yīng)滿足的技術(shù)指標(biāo)要求，即對(duì)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求（相當(dāng)于原始需求的系統(tǒng)化和任務(wù)分解）。這是一個(gè)項(xiàng)目規(guī)劃過程，對(duì)原始需求的開發(fā)和技術(shù)途徑確認(rèn)也在這一環(huán)節(jié)完成。2） 在項(xiàng)目進(jìn)行過程中項(xiàng)目進(jìn)行的任何時(shí)候，都必須將分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成果帶入總體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的總體性能和各個(gè)分系統(tǒng)之間的配合情況。同時(shí)更正總體設(shè)計(jì)方面不合理的因素，調(diào)整/優(yōu)化各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)以使子系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，最終保證各分系統(tǒng)的相互配合和產(chǎn)品整體的品質(zhì)。這是一個(gè)系統(tǒng)集成測(cè)試驗(yàn)證（Validation）過程。傳統(tǒng)上舵機(jī)系統(tǒng)集成測(cè)試只能在原型樣機(jī)制造后進(jìn)行，成本高，周期長(zhǎng)，而且干擾因素較多。而對(duì)于初期的方案論證和規(guī)劃，僅能憑技術(shù)經(jīng)驗(yàn)或參考產(chǎn)品進(jìn)行。如前面所述，現(xiàn)代化設(shè)計(jì)工具可以給出每種類型分系統(tǒng)的數(shù)字化時(shí)域仿真模型，并且可以相互集成構(gòu)成舵機(jī)完整的動(dòng)態(tài)模型。借助這種手段，可以建立舵機(jī)的全數(shù)字虛擬原型，確認(rèn)基本設(shè)計(jì)方案并替代真實(shí)原型樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，把大部分問題解決在原型樣機(jī)制造之前（加快了設(shè)計(jì)循環(huán)的過程）。這樣就能嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)一原型實(shí)驗(yàn)一詳細(xì)設(shè)計(jì)/樣機(jī)一實(shí)驗(yàn)確認(rèn)（即V&V）這樣的產(chǎn)品開發(fā)流程，保證部件和最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。另外，使用數(shù)字虛擬原型，使得多種方案的嘗試和比較易于實(shí)現(xiàn)，大大拓展了設(shè)計(jì)的靈活性，有助于提升產(chǎn)品的技術(shù)水平。需求概念設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)控制修改及優(yōu)化原型測(cè)試虛擬集成機(jī)械概念設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)原型測(cè)試制造制造需求需求概念設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)控制修改及優(yōu)化原型測(cè)試虛擬集成機(jī)械概念設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)原型測(cè)試制造制造需求4*系統(tǒng)設(shè)計(jì)一局部設(shè)計(jì)一系統(tǒng)驗(yàn)證一系統(tǒng)設(shè)計(jì)一…的設(shè)計(jì)循環(huán)過程根據(jù)分系統(tǒng)模型之間的集成關(guān)系和工具應(yīng)用方式，系統(tǒng)數(shù)字虛擬原型研究也分為兩種方式：局部集成利用兩個(gè)分系統(tǒng)仿真模型聯(lián)合仿真分析它們之間的設(shè)計(jì)參數(shù)匹配關(guān)系，調(diào)試局部系統(tǒng)性能。這時(shí)常采用一些典型的輸入條件最為聯(lián)合仿真測(cè)試模型的邊界條件，以保證基本的設(shè)計(jì)指標(biāo)，確認(rèn)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)際上，這是數(shù)字虛擬原型應(yīng)用量最大的方面。局部集成一般依靠?jī)煞N軟件之間的仿真接口就可以達(dá)成，比較方便。總體集成經(jīng)過局部集成設(shè)計(jì)得到的各零部件模型，需要全部集成為完整的舵機(jī)系統(tǒng)模型，以考察完整系統(tǒng)在真實(shí)使用條件下的綜合動(dòng)態(tài)性能，并給出合適的調(diào)整意見。這個(gè)過程一般只在各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本成熟時(shí)進(jìn)行。另外，完整系統(tǒng)的伺服控制算法也只能在總體模型集成層次上進(jìn)行(被控對(duì)象是整個(gè)系統(tǒng))?？傮w集成可以使用某種軟件工具作為基礎(chǔ)，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，便于用作基本運(yùn)算環(huán)境。Simulink可建立控制系統(tǒng)模型，銜接機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，液壓系統(tǒng)/電機(jī)和傳動(dòng)系模型開展聯(lián)合仿真運(yùn)算。這種方式比較易于使用，但對(duì)于未提供相應(yīng)接口的工具則不易采用。也可以使用專門的模型銜接工具來溝通各種軟件工具的模型仿真。例如TNI/Cosimate軟件，它利用各個(gè)仿真工具的編程接口建立類似總線的數(shù)據(jù)交換通道，并控制各種不同工具建立的仿真模型同步運(yùn)算。這種方式的模型兼容性較好，但是為每個(gè)軟件工具編寫Cosimate接口增加了額外的工作量。分系統(tǒng)設(shè)計(jì)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品的具體實(shí)現(xiàn)過程。根據(jù)前面“構(gòu)成和設(shè)計(jì)內(nèi)容”一章的介紹，依照總體設(shè)計(jì)給定的指標(biāo)和專業(yè)規(guī)范，應(yīng)用相應(yīng)工具進(jìn)行。分系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中各個(gè)零件的設(shè)計(jì)也需要通過配置管理形式協(xié)調(diào)。例如各個(gè)CAD零件的配合和設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)通常使用PDM系統(tǒng)調(diào)度。替他類型的系統(tǒng)也使用數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。這樣的配置管理存在于項(xiàng)目所有的進(jìn)程環(huán)節(jié)之中。為適應(yīng)所有的分系統(tǒng)應(yīng)用，可以采用

通用工具軟件，例如Cradle（英國(guó)3SL公司）所提供的數(shù)據(jù)綜合管理和跟蹤/記錄能力。控制策略的設(shè)計(jì)雖然在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行，但硬件和代碼實(shí)現(xiàn)仍可認(rèn)為在部件層次完成。編碼過程可以手工或借助自動(dòng)化編碼工具，但也必須通過檢測(cè)/測(cè)試才能定型。軟件環(huán)境下的代碼測(cè)試可以考慮使用SCB/STB（TNI公司），而軟件功能的測(cè)試則依托快速控制原型（RCP）進(jìn)行，這樣在不必作出具體的嵌入式控制樣機(jī)之前，即可對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)的電控配置情況進(jìn)行確認(rèn)。例如傳感器的數(shù)量和性能，電氣接口，控制器運(yùn)算能力等等。相應(yīng)的電子產(chǎn)品還可以通過硬件在回路仿真（HIL）的形式來檢驗(yàn)。DSPACE（德國(guó)）產(chǎn)品在這方面有著傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，目前已成為快速控制原型應(yīng)用的典型工具。以上是舵機(jī)開發(fā)的共同性方面，針對(duì)不同類型的舵機(jī)，具體的流程路線不盡相同，下面就液力舵機(jī)和電動(dòng)舵機(jī)分別敘述。液力舵機(jī)開發(fā)過程（流程環(huán)節(jié)）TRIZ專家?guī)炜焖俪尚椭行难b調(diào)工藝驗(yàn)證環(huán)境結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)|UG結(jié)構(gòu)建模TRIZ專家?guī)炜焖俪尚椭行难b調(diào)工藝驗(yàn)證環(huán)境結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)|UG結(jié)構(gòu)建模|HyPneu伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)|MATLAB11r有限元分析|ANSYS可靠性及壽命分析|CBMi伺服系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)|MATLAB通用工藝為基礎(chǔ)的專用裝調(diào)工藝路線試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證液力舵機(jī)從需求定義到工藝實(shí)現(xiàn)的過程參見上面的流程。設(shè)計(jì)循環(huán)的工作流程和內(nèi)容如下：第一.步確定油缸基本參數(shù)和機(jī)械余度形式（總體設(shè)計(jì)開始）從油缸入手。根據(jù)最大響應(yīng)加速度（響應(yīng)速度指標(biāo)，原始需求）和載荷確認(rèn)油缸活塞的最大輸出力。根據(jù)系統(tǒng)壓力確定缸徑。這樣，油缸的結(jié)構(gòu)尺寸就確定下來。油缸的基本尺寸直接關(guān)系伺服閥的選用或設(shè)計(jì)。油缸的輸出力，行程與舵面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)/機(jī)械余度機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的載荷參數(shù)有一定關(guān)系，通常由設(shè)備容納空間，安裝條件，并結(jié)合一定的專家工程經(jīng)驗(yàn)初步確定。確定油缸的基本參數(shù)的同時(shí)可以設(shè)計(jì)/選擇機(jī)械余度和備份操作機(jī)構(gòu)的基本形式，并根據(jù)載荷條件確定基本幾何參數(shù)。此時(shí)機(jī)構(gòu)一般為抽象的剛性桿等實(shí)體形式。第二.步確定伺服閥基本參數(shù)利用油缸缸徑和最大速度（響應(yīng)速度指標(biāo)，原始需求）可得最大流量數(shù)據(jù)，配合最大壓力數(shù)據(jù)可確認(rèn)伺服閥技術(shù)規(guī)格（流量，壓降等），期間許結(jié)合一定的專家工程經(jīng)驗(yàn)判斷參數(shù)選取，保留合適的設(shè)計(jì)裕量。此時(shí)液力舵機(jī)的基本雛形出現(xiàn)。以上兩步利用系統(tǒng)的基本性能參數(shù)確定的結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)，暫未考慮動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算即可。第三.步液壓回路初級(jí)虛擬樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真使用一維流體系統(tǒng)仿真工具（Hypneu,AMESIM,EASY5等）按照初步設(shè)計(jì)的伺服閥和油缸參數(shù)建立系統(tǒng)模型并調(diào)試。利用人為假設(shè)的典型工況（指令，載荷）數(shù)據(jù)或已有測(cè)量數(shù)據(jù)作為工作邊界條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真。此時(shí),僅考慮伺服閥和油缸模型（性能）即可。利用仿真工具還可以建立簡(jiǎn)易的閉環(huán)控制器模型,考察系統(tǒng)的基本閉環(huán)動(dòng)態(tài)性能。目的是考察基本設(shè)計(jì)的參數(shù)是否能滿足需求定義的負(fù)載和相應(yīng)速度。初級(jí)樣機(jī)可暫不考慮機(jī)構(gòu)裝置和精度問題。初步樣機(jī)通常要保留一定的性能設(shè)計(jì)裕度,方便后續(xù)設(shè)計(jì)。第四.步機(jī)械余度/備份操縱機(jī)構(gòu)初級(jí)虛擬樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真利用初步確定的機(jī)械余度和備份操縱機(jī)構(gòu)形式建立動(dòng)力學(xué)仿真模型。使用工具Simulink/Simechanics,Adams。建立的機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型主要用于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)干涉檢查——即考察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式和力傳遞關(guān)系是否滿足余度和備份操作的需求。仿真所用工作邊界條件暫可采用人為假設(shè)的典型工況（指令,載荷）數(shù)據(jù)或已有測(cè)量數(shù)據(jù)。進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)調(diào)整,并保留適當(dāng)設(shè)計(jì)裕度,方便后續(xù)設(shè)計(jì)。第五.步液壓回路/機(jī)構(gòu)系統(tǒng)初級(jí)虛擬樣機(jī)集成（總體設(shè)計(jì)結(jié)束）利用機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型與液壓系統(tǒng)模型的仿真接口（兩種軟件之間）,進(jìn)行初級(jí)虛擬樣機(jī)模型的聯(lián)合仿真。仍舊使用人為假設(shè)的典型工況或已有測(cè)量數(shù)據(jù)作為工作邊界條件（注意,同每種樣機(jī)模型單獨(dú)使用時(shí)的數(shù)據(jù)存在差別）。確認(rèn)系統(tǒng)整體性能和工作特性,進(jìn)行第一次系統(tǒng)間協(xié)同設(shè)計(jì),各自做出必要的調(diào)整。系統(tǒng)初級(jí)聯(lián)合樣機(jī)調(diào)試完畢后可分別記錄液壓和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的典型和極限工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。如液壓回路的壓力,流量,溫升,閥口開度等；機(jī)械結(jié)構(gòu)各零部件的力,力矩,速度,加速度,位移和確認(rèn)的基本構(gòu)造參數(shù)等。這些數(shù)據(jù)將作為詳細(xì)設(shè)計(jì)的初始參考值。這一步實(shí)際完成了初步的總體設(shè)計(jì),并分解出分系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。第六?步液壓系統(tǒng)功能細(xì)化和流體機(jī)械CAD（分系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)開始，設(shè)計(jì)循環(huán)）在不影響或較少影響已確認(rèn)液壓回路性能的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)基本性能以外的其他需求定義。例如人力備份操縱回路,安全裝置,檢修接口,液壓余度和其他附件等,最終得到符合全部功能和性能需求定義的液壓系統(tǒng)。這時(shí),可以比較詳細(xì)的考察液壓系統(tǒng)的發(fā)熱狀況,以便于飛機(jī)整體液壓回路的設(shè)計(jì)考慮液壓系統(tǒng)的功能和參數(shù)細(xì)化可基于已有的液壓初級(jí)虛擬樣機(jī)開展（Hypneu,AMESIM,EASY5模型），需要結(jié)合一定的專家工程經(jīng)驗(yàn)。一邊利用MATLAB的專業(yè)工具箱和數(shù)據(jù)處理功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，一邊利用模型仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，最終可得到液壓系統(tǒng)中所有流體機(jī)械的性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用上述對(duì)每個(gè)流體機(jī)械（油缸，伺服閥，單向閥，管路，附件等）的性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)定義，結(jié)合液壓機(jī)械的專業(yè)技術(shù)規(guī)范和方法，最終形成產(chǎn)品零部件機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙并用有限元分析工具（Ansys,Nastran,Abaqus）做強(qiáng)度校核。也可以從已有產(chǎn)品體系中進(jìn)行匹配選取。第七?步機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件CAD（設(shè)計(jì)循環(huán)）利用初級(jí)虛擬樣機(jī)得到的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（含機(jī)械余度和備份操作機(jī)構(gòu)）設(shè)計(jì)參數(shù),可以開展機(jī)械零部件的CAD設(shè)計(jì)。每個(gè)零件根據(jù)基本運(yùn)動(dòng)參數(shù),相互連接關(guān)系和動(dòng)態(tài)載荷特性進(jìn)行幾何造型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)束后將零件造型帶入回機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型,再次考察運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)干涉情況。并再次提取機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)載荷信息。利用有限元分析工具（Ansys，Nastran，Abaqus）和機(jī)械零件造型進(jìn)行強(qiáng)度校核，確認(rèn)機(jī)械系統(tǒng)的壽命,可靠性等內(nèi)容。另外,從有限元分析結(jié)果中可以提取零件的彈性體模型,并從機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模工具相應(yīng)的接口導(dǎo)入機(jī)構(gòu)模型中。動(dòng)力學(xué)機(jī)構(gòu)模型采用彈性體模型替代原來使用的剛性體模型，可研究交變?cè)俸妥饔孟碌臋C(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀況和響應(yīng)能力。通過機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和FEM分析，反復(fù)優(yōu)化零件幾何造型參數(shù)，可得到最終樣機(jī)加工圖紙。第八.步系統(tǒng)虛擬樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真和控制算法設(shè)計(jì)（系統(tǒng)模型集成，設(shè)計(jì)循環(huán)）經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型需要再次集成為系統(tǒng)總體方針模型，在