一种新型机载一体化电液作动器的设计与分析

针对近年来飞机机载作动系统的发展,设计了一种用于功率电传的新型一体化电动静液压作动器(EHA) ,分析其原理和特点,讨论各部件和系统的建模方法,采用Matlab/Simulink对其进行仿真,结果表明所设计的EHA具有良好的动态性能和带负载能力,达到了良好的性能指标,可作为未来飞机机载电作动系统的方案之一,对功率电传电液作动系统的研制具有实际指导意义.      

电动静液作动器框图建模与控制

功率电传作动系统是未来飞行控制的发展方向,它取消了传统的中央液压油源.电动静液作动器是功率电传系统的执行机构,在作动器端把电能转化为局部液压能,兼具传统液压系统和直接电力驱动作动器的优点.根据其元部件数学方程,建立非线性框图子模型,构造了一种定排量变转速电动静液作动器,完善了补油回路和摩擦特性的描述.通过考察作动器稳定性、静态刚度和动态性能指标,对单环比例、积分、微分(PID,Proportion Integration Differentiation)、多环PID、全状态反馈控制等方法进行了设计及比较分析.仿真结果表明,结合动态压力反馈策略的全状态反馈控制器能有效改善系统的动、静态性能.     

非相似余度作动系统动态力均衡控制策略

随着多电/全电化飞机关键技术的发展,由功率电传作动器——电动静液作动器(EHA)和机电作动器(EMA)构成的非相似余度作动系统,成为飞机多电/全电化发展的新趋势.介绍了非相似余度作动系统的结构组成和工作原理,建立了非相似余度作动系统力纷争的数学模型.在此基础上,分析了非相似余度作动系统动态力纷争的产生机理,基于上述原理提出了轨迹发生器+前馈补偿器、力纷争反馈PID补偿器和EHA力控制/EMA位置控制等3种减小动态力纷争的动态力均衡控制策略,并对其进行了理论分析与设计.最后,对所提出的3种动态力均衡控制策略进行了仿真对比,并从跟踪动态性能和抗负载扰动动态性能两个方面对仿真结果进行了深入分析.分析结果为非相似余度作动系统的设计和力均衡控制提供了理论依据.      

功率电传机载作动系统方案分析

综述了目前正在验证中的各种功率电传机载作动系统的发展状况,并详尽描述其工作原理,在分析其各自的优缺点之后,针对当今技术发展现状以及新型作战飞机对作动系统的要求,提出了两种新型的功率电传作动系统——电机-泵复合控制功率电传作动系统和电机-泵-阀复合控制功率电传作动系统,初步实验分析证明了该两种方案作为向全电作动系统的过渡是可行的,将对未来机载作动系统的研制具有实际指导意义.      

一体化电液作动器容错结构设计

一体化电液作动器(EHA, Electrical Hydrostatic Actuator)是功率电传(PBW, Power by Wire)飞控操纵系统的一部分,为了保证整个飞控系统的可靠度,必须采用多余度结构配置.飞控系统分别从可靠度、任务成功率、余度和故障管理水平以及性能、重量等角度提出了EHA的设计指标要求,并按照设计指标要求,对EHA各个组成部分的失效率进行了计算.根据计算结果,针对一种可行的EHA容错结构,分别计算了由于EHA故障导致的任务中断率(PMA, Probability of Mission abort)和失控率(PLOC, Probability of Loss of Control).计算结果表明此种结构形式能够满足飞控系统对作动器可靠度的要求.最后根据选用的可靠度模型,设计出具有容错能力的多余度作动系统,并对此容错结构进行了详细阐述.      

非相似余度作动系统静态力均衡控制策略

由功率电传作动器EHA(Electro-Hydrostatic Actuator)与EMA(Electro-Mechanical Actuator)构成的非相似余度作动系统取消了中央液压源和遍布机身的液压管路,同时克服了共性故障,是飞机多电化的发展趋势.阐述了非相似余度作动系统的结构组成与工作原理,考虑舵面空气负载和连接刚度,建立了在主动/主动工作模式下闭环系统数学模型.在此基础上,论述了非相似余度作动系统静态力纷争的产生机理,提出了采用调整电气参数偏差的方法补偿静态力纷争的思想,基于上述原理提出了3种减小静态力纷争的力均衡控制策略,并对其进行理论和仿真分析.最后,对3种力均衡控制策略在静态力纷争消除性、隔离性等方面进行了综合对比分析.分析结果对非相似余度作动系统的设计及力纷争的解决提供了理论依据.     

基于能量调节的电动静液作动器设计与仿真

电动静液作动器是功率电传系统的执行机构,在作动器端把电能转化为局部液压能,兼具传统液压系统和直接电力驱动作动器的优点.相比阀控作动器,电动静液作动器的效率和可靠性获得提高,但是带宽和刚度受到限制,因此提出了一种基于能量调节的新型电动静液作动器.能量调节器根据不同的控制响应需求向系统提供附加流量.液压锁用于切换系统工作模式,保持液压缸的输出位置.基于能量调节器的数学方程分析,得出其容积优化原则,并对系统控制策略进行了专门的设计.仿真结果验证了系统响应速度和频宽的改善.     

单向电永磁作动器结构优化与动态特性分析

针对电磁作动器的使用要求,设计出一种具有能耗低、吸力大及响应快等特点的新型单向电永磁作动器。结合有限元仿真软件,利用有限元法研究作动器的结构参数如铁芯齿形结构、平面结构、无永磁结构、铁芯的倾斜角度及衔铁位移（气隙厚度）等因素对作动器电磁吸力和响应速度的影响。结果表明,电磁吸力随着作动衔铁位移的增加而大幅度减小;倾角结构的铁芯设计能使作动器性能达到最佳,且铁芯的倾斜角度为50°时,电磁吸力有最大值3071N。     

双余度电静液作动器力均衡控制

随着多电飞机技术的发展,电静液作动器(EHA)被更多地用于机载作动系统。双余度电静液作动器(DREHA)更易于实现余度控制,推进EHA在飞机上的应用。本文给出了一种新型DREHA的结构组成,并对其工作原理和固有的力纷争现象进行了分析。理想情况下,通过流量补偿进行修正,力纷争会消失。由于实际系统的参数不可能与仿真模型完全一致,通过人为引入两通道参数误差,复现实际的力纷争。针对上述力纷争现象,基于两通道左右腔压差提出了差值力补偿力均衡控制策略和交叉耦合力均衡控制策略,以减小力纷争。MATLAB和AMESim联合仿真结果表明,本文所设计的力均衡控制器能大大减小力纷争峰值,同时提高系统的响应速度。     

泵阀联合EHA效率设计仿真分析

分析了泵阀联合电动静液作动器(EHA,Electrical Hydraulic Actuator)效率的影响因素,提出了降低油源压力设计值以提高效率的方法.针对泵阀联合EHA的工作特点,在负载相同的条件下,对伺服阀和定量泵的输出流量、损耗流量变化、作动系统整体效率变化进行了分析,并分析了油源压力设计值变化对系统主要性能参数的影响.相对于常规阀控系统设计,在一定范围内降低油源压力设计值的方法可提高液压系统总效率,减少流量损耗引起的功率损耗.系统快速性提高,稳定性增强,抗扰动能力下降,因而系统效率设计要兼顾性能综合进行.以弹性负载为对象的作动系统仿真计算验证了设计方法的可行性.      

气动执行器与电动执行器的运行能耗分析

分析了气动执行器和电动执行器能量消耗过程,建立了气动执行器运行能耗计算模型,搭建了气动执行器和电动执行器的运行能耗实验系统.通过实验数据分析,得出两种执行器运行能耗的结论:①在长时间保持负载或作动不频繁的工况下,气动执行器比电动执行器更节能,在频繁作动的工况下,电动执行器比气动执行器更节能;②在各种工况下,气动执行器的运行功率波动不大,电动执行器的运行功率波动较大.     

空间精密跟瞄Hexapod平台作动器研制与实验

针对基于并联机构的空间精密跟瞄Hexapod平台的大行程、高性能要求,通过对现有主动元件的分析,从作动器角度研制了以滚珠丝杠作动器为宏动部分、压电作动器为微动部分的大行程高频响精密复合作动器,测试了复合作动器的行程、开环定位精度及动态特性,以dSPACE半物理仿真系统为核心建立了实验系统,进行了复合作动器单自由度精确定位实验和振动主动控制实验.由结果可知,复合作动器作动行程超过50mm、经微动部分补偿后的整体定位误差小于1μm、正弦持续扰动下采用自适应滤波ADC(Active Disturbance Canceller)方法使振幅下降90%以上.结果表明,将此复合作动器应用于空间高稳定精密跟瞄Hexapod平台是完全可行的.      

一种脉宽调制式舵系统舵机模拟器设计方法

针对脉宽调制式舵系统放大器电性能高效测试的问题,提出一种基于移相脉冲计数的舵机模拟器设计方法。该模拟器硬件由电平转换单元、PWM占空比采集单元、数字PID控制单元和DAC单元四部分组成,软件主要采用移相脉冲计数法和数字PID控制算法,实现了真实舵机电性能的替代。同时由单通道扩展的多通道模拟器的应用,能够大幅节约舵机放置空间,缩短研制周期,在短时间内实现脉宽调制式放大器电性能大批量测试的目的。试验结果表明,该舵机模拟器能够模拟真实电动舵机的电性能特性,系统具有实时性好、测试效率高、操作性好的优点,及较高的应用价值。     

空间大载荷石蜡驱动器研制

石蜡驱动器是当前空间非火工驱动器技术领域的研究热点,现有的空间石蜡驱动器主要采用弹性鞘挤压原理,具有摩擦力大、驱动力小等问题。本文针对这些问题,发展了活塞式空间大载荷石蜡驱动器,该驱动器通过活塞结构有效增大了石蜡液压对驱动杆的作用面积,大幅提高了驱动力;通过双层密封设计和复位弹簧设计,确保了驱动器的密封及复位性能。为了验证该方案,完成了原理样机的制造,开展了摩擦力测试、功能测试、寿命测试等试验。结果表明,采用载荷范围为85~165 N的复位弹簧能推动活塞克服系统摩擦力进行复位,保证了驱动器的自动复位功能;在额定功率40 W(额定电压12 V)下,驱动器的输出位移为6.9 mm,响应时间为20 min,驱动力超过300 N。寿命试验表明,该驱动器寿命超过100次,多次输出位移稳定性好(7 mm左右波动);驱动器密封性能优秀,经历100次作动后,未发现石蜡泄漏。     

一体化数字液压作动系统的建模仿真和控制

随着机电液控集成一体化技术和数字液压技术的发展,基于数字缸和电液泵提出了一种新型的一体化数字液压作动系统,阐述了其系统组成和工作原理.基于AMESim建立了电液泵、数字缸及整个系统的数学模型,分别从系统的位移响应、溢流流量、电机转速和控制阀开口等方面,与传统的采用集中液压源供油和伺服阀控制伺服油缸的作动系统进行了仿真对比分析,指出了一体化数字液压作动系统的优缺点.      

泵阀协调控制电动静液作动器方案分析

针对典型的EHA (Electro-Hydrostatic Actuator)系统存在的频响较低的问题,为了兼顾作动系统的效率和频响,将控制阀引入了EHA系统,提出了3种泵阀协调控制的EHA方案,分别是:采用EHSV(Electro-Hydraulic Servo Valve)的EHA系统,采用DDV(Direct Drive Valve)的EHA系统以及采用TPCV(Total Pressure Control Valve)的EHA系统.阐述了这3种方案的系统组成及工作原理,采用AMESim对这3种方案及典型的EHA进行了仿真对比分析.从仿真结果可以看出:泵阀协调控制的EHA系统可以大大提高系统的频响,同时还具有较高的效率.作为3种过渡方案,将对目前机载电动静液作动系统的研制具有实际指导意义.      

软体弯曲驱动器设计与建模

与传统的"刚性"机器人相比,基于仿生学启发的软体机器人由于其与生俱来的柔顺性和安全性受到广泛关注。然而,此类软体机器人驱动器的设计与控制目前仍缺少理论指导。针对这些问题,设计了一种由气压驱动的可实现弯曲运动的新型软体驱动器,在系统分析其结构和弯曲原理的基础上,利用几何方法和虚功原理建立了其数学模型,并且通过有限元模型和原理样机实验验证了数学模型的有效性,为软体机器人驱动器的优化设计和控制提供了依据。