基于ADRC和模型预测控制的直驱伺服阀振荡抑制研究

直驱伺服阀因构造简单、抗污染能力强、输出功率大等突出优势,逐渐扩展其应用场景。作为飞控系统的关键部件之一,电液伺服阀的特性与可靠性直接关乎飞行性能与安全。本文针对某型航空用双系统直驱伺服阀存在的阀芯振荡问题,探究基于方法的伺服阀振荡抑制策略。建立了该直驱伺服阀系统的部件级数学模型,并与突变液流力模型联合运算;设计了自抗扰控制器（ADRC）和模型预测的复合控制方法,并与传统比例积分微分（PID）控制方法进行仿真对比。结果表明,ADRC和模型预测的复合控制方法对直线电机电流的高频小范围调节可有效抵消突变液流力对阀芯运动的影响,从而为直驱伺服阀在复杂受力环境下的控制器设计提供理论参考。     

直动式机载2D电液压力伺服阀特性

设计了一种直动式二维(Two Dimensional,2D)电液压力伺服阀,采用2D伺服活塞机构产生液压力来驱动主阀芯运动,输出需要的负载压力。设计的2D伺服活塞机构采用直线位移传感器(Linear Variable Differential Transformer,LVDT)进行检测从而形成闭环位置反馈,精确控制2D活塞位移;主阀芯与2D伺服活塞通过弹簧连接,2D活塞在两侧压力差作用下运动,通过弹簧来对主阀芯施加作用,控制主阀阀口的开度,来精确控制输出的负载压力;为提高压力伺服阀的稳定性和可靠性,主阀阀芯根据挤压油膜缓冲理论进行了圆盘结构设计,以增大系统黏性阻尼。在建立该阀的数学模型的基础上,仿真分析了该阀的静动态特性,并通过设计样阀及实验研究,验证了该阀设计的可行性,实验结果表明:在系统压力28 MPa下,该阀的阶跃响应时间在30ms,其滞环3%,线性度2%,压力跟随特性和输出稳定性好;相较于传统直动式比例伺服压力阀,该阀的结构特点决定了其抗污染能力强,可靠性高,且质量和体积分别仅为同类伺服阀的1/5和1/7左右,非常适用于机载液压刹车系统。     

考虑气穴影响的2D压力伺服阀稳定性

为研究双自由度（2D）压力伺服阀工作时的气穴现象对阀芯稳定性的影响，利用AMESim中的基本库和HCD库建立2D压力伺服阀各组件仿真模型。理论分析得出气穴现象会降低阀体中含气油液的有效体积弹性模量，得出考虑气穴影响的阀芯稳定性条件。仿真结果表明气穴现象会导致主阀芯到达稳定位置后出现振荡现象，影响主阀芯的穿越频率从21 Hz降低至6 Hz，限制主阀芯的频宽，适当增加主阀芯阻尼比能提高主阀芯工作稳定性。提出一种新型阻尼活塞结构，建立模型分析得出其能在不影响伺服阀频响、阀芯位移和抗污染能力情况下提高主阀芯阻尼比以提高阀芯工作稳定性，并且设计实验进行验证。实验结果表明，应用阻尼活塞将2D压力伺服阀压力输出波动从9%降低至2%，能够提高飞行器制动时刹车阀工作稳定性。     

液压放大式超磁致伸缩直驱式伺服阀的设计与实验

研制了一种基于液压式微位移放大机构的超磁致伸缩直驱式电液伺服阀,在保证较大体积流量的前提下,提高了直驱式电液伺服阀的频响.采用弹性力学理论、有限元和计算流体力学(CFD)方法对直驱式电液伺服阀进行了结构设计和分析,并制作了超磁致伸缩直驱阀样机,在AMESim下建立其磁-机-液耦合模型.仿真和试验表明:所设计的超磁致伸缩直驱阀的频响超过100Hz和系统油压21MPa下的负载体积流量达到30L/min.      

插装式二维(2D)伺服阀的理论分析与实验研究

针对传统伺服阀导控级和功率级平行放置而无法实现插装的问题，研究了一种新型的插装式二维（2D）伺服阀，其特点在于：先导级和功率级集成在单个具有双自由度的阀芯上；力矩马达与阀芯同轴连接，并安装在阀芯末端。通过力矩马达直接驱动阀芯转动，然后利用伺服螺旋机构放大功率并驱动阀芯直线运动，从而控制输出流量。同时可以采用直线位移传感器（LVDT）进行检测阀芯位移，实现位置闭环控制以提高阀的控制性能。为了探究其开环特性，首先建立力矩马达和2D阀的数学模型，求得其开环传递函数；然后，通过仿真了解关键参数对系统动态响应的影响；最后，进行实验研究，验证该阀设计的可行性。实验表明，在满量程输入的情况下，该阀开环时滞环为5%，分辨率≤ 1%，响应时间为10 ms，动态频响为35 Hz；闭环下性能显著提高。插装式2D伺服阀结构简单，尺寸小，质量轻，响应快和控制精度高，在航空航天及军工领域有广阔的应用前景。     

小球式旋转直驱压力伺服阀动态特性分析优化

针对在研的小球式旋转直驱压力伺服阀（Ball-type Rotary Direct Drive Pressure Servo Valve,BRDDPSV）阶跃响应超调量大、调整时间长等不稳定现象,建立了数学模型,分析了结构参数和电控方法对整阀动态特性的影响。理论分析表明：结构参数方面,减小阀芯直径、减小滑阀负遮盖量或将小球-柱形孔运动副改为小过盈配合均可提高整阀响应的稳定性;控制方法方面,在原有PI控制的基础上,采用积分分离可有效抑制控制压力动态响应的超调量,增加动压反馈校正可有效缩短控制压力动态响应的调整时间。优化选取结构参数和电控方法后,进行样机试验,整阀控制压力阶跃响应的超调量小于0.5 MPa（系统压力21 MPa）,调整时间约30 ms,能够满足飞机刹车压力伺服阀的使用需求。     

对称负重合型气动伺服阀零位流动状态分析

针对负重合型气动伺服阀(PSV)零位特性设计缺少理论依据问题,根据单个节流口的气体质量流量公式建立起气动伺服阀滑阀级的数学模型,采用假设求证法分析了零位时气体流经上、下游节流口的流动状态与影响因素之间的关系。结果表明在不同供、排气压力比下,负重合量不均等系数小于0.5283的气动伺服阀有3种可能的零位流动状态,即上、下游节流口均为亚声速流动,或者均为声速流动,或者上游节流口为声速时下游节流口为亚声速流动;负重合量不均等系数不小于0.5283的气动伺服阀有两种可能的零位流动状态,即上、下游节流口均为亚声速流动,以及上游节流口为亚声速时下游节流口为声速流动。可知气动伺服阀的零位流动状态由负重合量不均等系数与供、排气压力比共同决定。以负重合量不均等系数分别为0.5、1、2的气动伺服阀为例进行了计算和实验验证,实验结果与理论分析相吻合。     

直射式喷嘴流动特性的数值和试验研究

加力燃烧室喷油杆多采用直射式喷嘴,为进一步分析影响喷油杆通流能力的因素以及喷嘴内部燃油空化的问题,进行了数值和试验研究。选取了Schnerr-Sauer、Singhal 及Zwart-Gerber-Belamri三种空化模型进行比较后,采用Schnerr-Sauer空化模型进行计算,对喷嘴的流量系数、空化区域以及空化源进行了数值模拟,对2种典型直射式喷嘴进行了试验分析。结果表明：喷孔长径比、开孔位置对流量系数影响较大,喷孔前加过渡段能够起到一定的稳流、消除空化的作用,在喷孔大锐角入口处形成明显的空化源,空化体积分数随压力、壁厚和入口段变化,进一步计算发现当进口倒角为30o～45o或者圆角,倒角比W/D=0.2左右时能有效抑制燃油空化。     

系统油液污染对伺服阀工作可靠性的影响

通过对ＹＳ１１０Ａ电液压力伺阀装飞机使用，因故障返回后，经复测、分解、清理、试验分析，证明了系统油液污染是导致伺服阀工作可靠性降低的主要原因．本文根据试验、装机使用的结果，对系统油液污染，影响伺服阀工作可靠性进行了讨论．     

震荡磨削在伺服阀阀套内环槽工作边加工中的应用

滑阀副是通过阀芯、阀套重叠处阀口控制流体流动方向及流量大小的，阀套工作边棱边质量对伺服阀工作性能有决定性影响。阀套内环槽全开口工作边常常利用硬车后研磨的工艺方法加工，存在加工质量不稳定而返工的问题。分析了阀套工作边震荡磨削加工的磨削原理，采用震荡磨削开展了阀套内环槽全开口工作边的加工研究。基于正交实验设计，构建了震荡磨削实验，研究了震荡速率和轴向进刀速度对表面质量、毛刺高度和锐边完整性的影响。经数学分析表明，Z轴和X轴进给速度对表面粗糙度和毛刺高度的影响相对一致，va越大、vf越小，对应的表面粗糙度越低、毛刺越小。实验结果表明，震荡磨削是伺服阀全开口阀套工作边精密加工的一种可行方法，可以广泛应用于起阀口作用的内外环槽结构的加工中。     

微机控制伺服阀阀口加工质量综合测量仪的研制

介绍一种后置节流孔压力式气动测量原理用于伺服阀叠合量的气动测量,研制了一台伺服阀阀口加工质量测量仪,并实现了微机自动控制。     

空化对燃油喷嘴雾化的影响

燃油喷嘴内的液体流动在一定条件下会形成空化,进而影响喷嘴的雾化效果。应用高速摄像仪对圆形喷嘴内的空化以及喷口外的雾化进行了实验研究。实验所用喷嘴直径包括0.5mm,1.0mm,1.5mm和2.0mm,其中直径为1.5mm的喷嘴的长径比从2变化到9,实验工质为纯净水。实验发现,喷嘴内空化的形成是动态的,空化长度出现高频低幅脉动。对于喷嘴的收缩类型研究发现,急收型相比渐收型更易形成空化,并有增强雾化的效果。长径比相同的喷嘴,直径越大,达到超空化的喷射压力越大,雾化锥角也越大;直径相同的喷嘴,随长径比的增加,达到超空化的空化数逐渐减小,但射流的喷雾锥角没有明显的变化趋势,均在10°到20°之间。对比破碎模式规律,除了0.5mm的喷嘴外,所有喷嘴达到超空化后均为雾化模式。     

某型飞机电液压力伺服阀常见故障分析

作为防滑刹车系统中的重要组件之一,电液压力伺服阀对飞机防滑刹车系统的可靠性起着关键性作用,但通常其故障率较高.本文以某型飞机为背景详细论述了飞机防滑刹车系统中电液压力伺服阀的结构组成、工作原理、常见故障现象、原因及改进方法.     

舵机伺服阀参数的选择与优化

伺服阀参数的合理选择对舵机的性能至关重要。通过对舵机系统和伺服阀参数影响的研究,发现伺服阀增益是影响舵机动态响应的主要因素。在此基础上,通过对伺服阀增益的推导,得到了其与结构参数和性能参数的数学关系,通过分析可知,降低反馈杆刚度可有效改善舵机系统的动态响应和稳定性,这为合理设计参数改善伺服阀同舵机的匹配性提供了思路。     

燃油分级比对LESS燃烧室压力振荡频率的影响

实验研究了燃油分级比对low emissions with stirred swirls(LESS)燃烧室压力振荡频率的影响,在燃烧室进口压力为1.14~2.77MPa,燃烧室进口温度为645~808K,总油气比为0.0242~0.0303,燃烧室压降为3.14%~3.64%范围内,随着燃油分级比减小(32.7%降到5.21%),压力振荡频率下降.采用了简单均匀介质直管道模型和CFD数值方法分析燃油分级比对压力振荡频率的影响.结果表明:燃油分级比引起火焰区的起始位置、轴向长度和平均温度的变化是导致压力振荡频率变化的主要原因.      

超声速飞行器减阻盘与逆向喷流组合构型减阻防热性能研究

为降低超声速飞行器气动力和热载荷，采用数值方法对应用减阻盘与逆向喷流组合构型的钝体飞行器的气动性能进行了研究。首先，对仿真计算模型和数值计算方法进行了简要介绍。然后，进行了网格无关性校验和数值方法校验。最后，开展了仿真验证，分析了喷嘴直径比、减阻杆长径比、减阻盘直径比和逆向喷流总压比对减阻和防热性能的影响规律。研究结果表明：增加喷嘴直径比，减阻和防热效率均增大；增加减阻杆长径比，减阻和防热效率均先减小后增大；减阻盘直径比对减阻和防热性能影响不大；增加逆向喷流总压比可以显著改善防热性能，但会降低减阻效率。适当选取减阻盘与逆向喷流参数，最优构型可达到40.9%的减阻效率，同时防热效率达到72.2%。     

直驱阀控制系统设计及验证

为提高直驱阀系统的动态特性和稳定性,设计了1种位置环加电流环的直驱阀双闭环控制系统,其中位置环采用比例积分控制加相位超前校正,电流环采用比例积分控制。在MATLAB平台上,开展了电流环仿真、位置环的参数辨识以及仿真;在由DSP和FPGA构成的验证平台上,开展了试验验证,电流环与位置环的控制效果与仿真模型均一致,获得了400 Hz以上的电流控制带宽和25 Hz以上的位置控制带宽。研究结果表明:此控制器设计及校正方法可有效提高直驱阀系统的动态特性和稳定性。     

对伺服阀弹簧管产生裂纹的原因及防裂措施的探讨

前言弹簧管是伺服阀中力矩马达的弹性元件(见图1),它起着支撑反馈杆和隔离油压等作用,并直接影响阀的寿命和性能,它是伺服阀的心脏。但在伺服阀调试中曾发生弹簧管断裂,引起漏油等事故,致使伺服阀调试中断。为避免类似事故发生,有必要对弹簧管产生裂纹的原因及防裂措施进行探讨和研究。     

DYH-100电液伺服阀中力矩马达的设计、计算与试验

DYH—100电液伺服阀用于我所自行设计、制造的SKX—3000三坐标数控铣床电液伺服驱动系统中,其力矩马达的设计参考了美国MOOG公司的伺服阀和北京机床研究所的QDY_1伺服阀中的力矩马达。与MOOG阀中的力矩马达相比,结构有所简化(反馈杆和挡板合成一件,材料为铍青铜),参数也有所改变(线圈改为2400匝,额定电流改为30毫安),工作原理仍一致。     

考虑电涡流效应的射流管伺服阀建模及频率特性

针对射流管伺服阀在电-磁-力-位移转换过程中的响应滞后问题,建立了考虑电涡流效应的力矩电动机数学模型,获取了力矩电动机的频率特性。以某型射流管伺服阀为例,建立了考虑电涡流效应的射流管伺服阀数学模型,得到了主要性能参数对伺服阀频率特性的影响规律。结果表明:气隙长度、气隙磁导率的增加以及气隙有效面积的减小会导致伺服阀响应变慢,控制线圈匝数不影响伺服阀的频率特性,导磁材料电导率的减小能提高伺服阀的响应速度。对伺服阀进行试验研究,理论值和试验值之间的差值约为5%,验证了所建模型的正确性和有效性。