功率电传机载一体化电作动系统的研究

概述了近10年国内外机载功率电传一体化电动作动系统的研究发展状况,已成功的机载电力作动系统主要包括电静液作动器和机电作动器,得出了电作动器可用于未来机载作动系统相关的一系列结论;归纳了采用电力作动系统的优点;阐述了发展该机载一体化电作动系统的关键技术,包括高性能永磁、无刷直流电机-泵及其集成设计、冗余管理、高响应高精度控制等;指出了机载一体化电作动系统的研制目标和技术难点,为发展机载功率电传一体化电作动系统进行了深入的探讨.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

基于力的电动静液作动器阻抗控制

阻抗控制作为一种柔顺控制方式,能够实现力与位置的协同控制,在作动系统需要与外部环境发生接触的应用中具有一定优势。在集成、高效的电动静液作动器(EHA)上实现基于力的阻抗控制具有良好的应用前景,其中核心问题是EHA力伺服控制器的设计。针对阻抗控制中外部负载特性不确定,EHA部分结构参数时变等问题,采用定量反馈理论(QFT)的方法对力伺服控制器进行设计。在对EHA数学模型及参数进行分析的基础上,通过QFT方法将被控对象的不确定范围与系统性能设计指标相结合,并以定量的方式在Nichols图上形成边界,在使标称对象的开环频率特性曲线满足各边界约束条件的同时完成力伺服控制器的设计。通过不同外部负载条件下的力伺服控制实验以及静、动态阻抗控制实验对EHA的力伺服控制器与阻抗控制系统进行了验证。实验结果表明:通过QFT方法设计得到的力伺服控制器对外部环境具有较强的鲁棒性,从而确保了EHA阻抗控制的成功实现。     

电液复合调节作动器的精确线性化建模与控制

针对经典泵控电液作动器固有频率低的问题,对原系统增加了一个新设计的总压力控制阀,它可保证作动筒两个工作腔的压力之和始终为一常数并使两腔压力可控,从而使泵控系统达到和阀控系统相当的固有频率.这种改进型作动器称为EHCA(Electro-Hydraulic Compound regulating integrated Actuator).针对存在的相乘非线性控制问题,通过分析EHCA和总压力控制阀的工作原理,设计了基于精确线性化方法的滑模控制器,并分析了电机转速和变量泵排量在不同工况下的控制量大小配合问题.分析和仿真证明,该设计思想是有效实现高效率、节能和快响应的电液组合作动器方案.     

电静液作动器自调节积分鲁棒运动控制

针对电静液作动器系统中存在的匹配干扰及不匹配干扰,基于扩张状态观测器,设计了一种自调节积分鲁棒控制方法。首先设计扩张状态观测器估计系统的匹配不确定性并且进行前馈补偿;然后设计自调节积分鲁棒控制器分别处理系统的不匹配干扰和状态估计误差,实现了电静液作动器的渐近跟踪控制;最后通过仿真验证了该控制方案的有效性。结果表明：相较于传统的PID控制器,该控制器的跟踪误差约为0.2mm,控制精度达到0.4%左右。     

电动静液作动器热力学建模方法及油液温升规律

电动静液作动器（EHA）是多电飞机关键子系统之一，其高度集成设计在减小体积和质量的同时，大幅降低换热能力，导致EHA油液温度过高、功能丧失。针对目前EHA一维热力学建模不足问题，以油冷电机驱动的EHA为研究对象，提出EHA的“三维+一维+三维”的热力学建模方法。首先，分析EHA能量转换及传递规律，探究EHA热能产生和扩散途径，在考虑参数时变基础上提出EHA的“三维+一维+三维”热力学建模方法；其次，基于ANSYS平台建立EHA电机生热和壳体对流换热的三维热力学模型；然后，建立柱塞泵、液压缸、阀和增压油箱等一维热力学模型；最后，在AMESim平台上搭建EHA的“三维+一维+三维”的热力学模型。仿真和实验验证了EHA的“三维+一维+三维”热力学建模方法的正确性，揭示了EHA油液温升规律，为EHA的热设计提供了理论依据。     

GO-FLOW法在飞机EHA可靠性分析中的应用

应用GO-FLOW法分析了飞机电静液作动器(EHA)的可靠性。首先在EHA单元功能合理划分的基础上,建立了EHA的GO-FLOW可靠性分析模型,采用布尔代数求解描述反馈环的布尔方程,解决了GO-FLOW图不允许存在循环的难题;其次进行了GO-FLOW运算,得到EHA系统在各时间点的可靠度;再次与GO法的结果比较,验证了GO-FLOW法的可行性和准确性;最后通过MATLAB曲线拟合,得到系统可靠度随时间的变化规律,以便及时对系统进行检修和维护。结果表明GO-FLOW法只需一次运算,就可得到系统在各时间点的可靠度,在减小计算复杂度方面较GO法有优势。     

基于定量反馈理论的EHA控制器设计

定量反馈理论(QFT,Quantitative Feedback Theory)是一种鲁棒控制器设计方法,具有很好的工程实用性,在液压伺服控制领域得到了广泛应用.建立电动静液作动器(EHA,Electrical Hydrostatic Actuator)模型并简化后,基于定量反馈理论进行了内外环控制系统的设计.内环控制电动机转速,主要保证其快速性;外环控制舵面的转角,要兼顾跟踪性能、鲁棒稳定性和抗干扰能力.设计过程中考虑到了电动机、液压系统的参数不确定性和各种飞行状态下的负载变化情况,并根据内外环性能指标生成边界条件.仿真结果表明:控制器不仅对参数变化具有鲁棒性,还能很好地抑制输出干扰带来的影响,使一体化电动静液作动系统充分发挥其转矩高、功率密度大、易于维修和模块化的优点,对整个飞控系统的性能提高有很大帮助.