混合作动系统的工作模式研究

具有非相似余度的混合作动系统(HAS)由功率电传作动器和传统的阀控液压伺服作动器(SHA)所组成,是未来多电飞机作动系统的发展趋势。阐述混合作动系统的结构组成及工作原理,建立其数学模型。对工作于两种传统模式——主动/主动模式和主动/被动模式时的混合作动系统进行了建模和理论分析。在此基础上,论述在一种全新的工作模式——主动/无载模式下,混合作动系统的结构组成和工作原理,并对其进行建模和理论分析。最后,对混合作动系统工作于每种模式下的优缺点进行了对比分析。分析结果对确定不同情况下混合作动系统的具体工作模式提供了依据。     

余度伺服作动系统可靠性分析

可靠性是飞机设计的重要指标,现代民用飞机电传操纵系统的伺服作动系统普遍采用余度技术,传统的可靠性分析方法无法描述其动态过程。针对主备结构和三余度结构2种不同的民用飞机伺服作动系统方案,应用马尔可夫过程对其分别建立了可靠性模型,并仿真分析比较了两者的可靠性及故障覆盖率对系统可靠性的影响,对实际中系统方案的选择提供了理论依据。     

余度作动系统力纷争机理及控制方法综述

伺服作动器是飞控操纵系统的执行机构,为了保证飞行过程的安全性和可靠性,会对飞控作动系统进行液压余度备份;当采用通道并列的余度备份形式,各个通道控制回路之间的机械结构、信号传输和传感采集等环节的差异性,会导致作动筒输出的位移不一致,从而在舵面铰链之间产生力纷争现象;力纷争现象会影响系统的控制性能并对舵面结构造成疲劳损伤。从力纷争现象及其产生机理进行分析,对相关的研究进行了调研和汇总,阐述了针对不同构型的余度作动系统在力纷争抑制中尚需解决的问题和难点,在未来可能会与人工智能相结合对力纷争进行准确抑制。     

余度作动系统力纷争试验方法研究

针对余度作动系统力纷争试验提出了一种计算机控制器在回路的试验方法,并着重研究了这种试验方法的实现方案。以实际工程中的应用为例,结合SIMULINK仿真过程,介绍了其核心控制元件PID控制器的调参方法。与传统由人工操作的力纷争试验方法相比,计算机控制器在回路的试验方法具有更高的试验参数控制精度,提高了试验成功率,同时能够很大程度地减缓由于人工输入引起的作动系统振荡,从而确保试验的安全。     

某型机伺服作动器BIT测试方法及影响分析

介绍了伺服作动系统的工作原理、组成及BIT测试方法,分析了影响伺服作动系统BIT故障的原因,并对伺服作动器建立故障树,着重分析影响伺服作动器故障的因素并进行仿真,提出了伺服作动系统BIT设计优化建议。     

电传飞行控制系统的余度设计技术

余度设计是提高电传飞行控制系统安全性与任务可靠性的一种重要手段。对电传飞行控制系统中的余度设计内容进行了介绍,探讨了这一领域的一些重要问题。主要内容包括相似余度,非相似余度,解析余度,功能冗余设计技术。对其核心技术和研究难点进行了分析,为进一步研究打下了基础。     

基金成果简讯

新型灵巧作动器研究【项目编号】2003ZE18002【项目负责人】司俊【依托单位】西安飞行自动控制研究所完成情况简介:本项目研究了灵巧作动器系统方案、先进作动系统结构设计方案、作动器故障监控方案以及数字伺服控制器设计方案等,完成了灵巧作动器的 UG 三维电子样机的设计和作动系统数学模型仿真。作动器总体方案、结构设计等方面的研究成果,已在某飞机平尾四余度电传作动器上得到应用;采用 DSP 微处理器的数字控制器技术已经在某高教机上应用;某大型无人机的 DDV 式作动器大量采用了相关技术。研究成果处于国内领先水平。     

反推力装置液压作动系统AMESim建模与仿真

根据飞机反推力装置液压作动系统的结构特点及工作原理,建立了其蜗轮蜗杆部件、丝杠螺母部件和作动筒的数学模型及系统的AMESim模型。针对某型反推作动系统进行了仿真,分析了其位移、同步性、受力变化规律;通过设置批参数运行的方式,初步分析了丝杠导程角、蜗轮蜗杆减速比和供油压力不足对作动系统性能的影响。仿真结果表明:所建模型能模拟作动系统的伸出和收回时的工作状态,为反推作动系统设计参数选择、受力分析和故障诊断提供了平台。      

电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机绕组短路分析

研究了绕组短路故障对直接驱动作动器(DDA)用电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机(BLDCTM)性能的影响。基于电气/机械混合四余度BLDCTM的数学模型,分析了短路故障对电机电气参数造成的影响,并且建立了绕组匝间短路和相间短路这两种短路形式下的等效电路模型。电机系统的仿真结果表明,本文所采用的低转速电气/机械混合四余度BLDCTM某一相绕组出现匝间短路或某余度的两相绕组出现相间短路时,DDA系统依然可以正常运行。电气/机械混合四余度BLDCTM完全可以克服绕组短路故障的影响,提高了DDA系统的可靠性。     

液压伺服作动器与电动作动器性能仿真分析

以Imagine公司的AMESim为仿真平台,建立了液压伺服作动系统的物理模型和电动作动系统的物理模型,采用AMESim处理结果对两种作动器的性能进行了仿真分析。     

Concepts for position and load control for hybrid actuation in primary flight controls

Moving towards the More Electric Aircraft, a hybrid actuator configuration, in which an electromechanical actuator (EMA) and an electrohydraulic servoactuator (EHSA) operate on the same control surface, provides an opportunity to introduce electromechanical actuators into primary flight controls. Besides the operation in active/passive or active/active mode, an “active/no-load” mode is promising. In this mode the EMA is controlled such that it actively follows the movement of the control surface without carrying external air loads, thereby reducing power dissipation compared to active/active mode and failure transients compared to active/passive mode. However, force fighting will occur if both actuators are actively controlled. In this paper, control concepts for a hybrid configuration, extending the original actuator control loops, are presented, enabling active/active as well as active/no-load operation. Nonlinear as well as linear models for an EMA, an EHSA, and a control surface structure are derived from technical data for an airworthy EHSA and combined to a model of the hybrid configuration. These models are used for matching of actuator dynamics and simulation of the developed control laws. For active/active mode, maximum force fighting between the actuators is reduced from about 500% to 7% of the stall load. For active/no-load mode, a force control loop is added to the EMA control, causing the EMA to follow movements of the control surface such that the external loads on the EMA are zero in steady-state. Force fighting is reduced to 30% of the stall load.     

Fractional order modeling and control of dissimilar redundant actuating system used in large passenger aircraft

In this paper, a methodology has been developed to address the issue of force fighting and to achieve precise position tracking of control surface driven by two dissimilar actuators. The nonlinear dynamics of both actuators are first approximated as fractional order models. Based on the identified models, three fractional order controllers are proposed for the whole system. Two Fractional Order PID (FOPID) controllers are dedicated to improving transient response and are designed in a position feedback configuration. In order to synchronize the actuator dynamics, a third fractional order PI controller is designed, which feeds the force compensation signal in position feedback loop of both actuators. Nelder-Mead (N-M) optimization technique is employed in order to optimally tune controller parameters based on the proposed performance criteria. To test the proposed controllers according to real flight condition, an external disturbance of higher amplitude that acts as airload is applied directly on the control surface. In addition, a disturbance signal function of system states is applied to check the robustness of proposed controller. Simulation results on nonlinear system model validated the performance of the proposed scheme as compared to optimal PID and high gain PID controllers.     

压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性自适应混合补偿控制方法

压电陶瓷叠层作动器的迟滞蠕变非线性特性严重影响了控制系统的稳定性及动态跟踪精度。针对其迟滞蠕变非线性补偿控制问题,提出了一种高精度动态补偿压电陶瓷叠层作动器非线性特性的自适应混合补偿控制方法,即迟滞蠕变前馈补偿与自适应滤波反馈补偿结合的前馈-反馈混合控制方法。采用改进的Prandtl-Ishlinskii（Modified Prandtl-Ishlinskii,MPI）模型对压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性特性进行精细化建模,并得到其逆补偿模型进行前馈补偿。根据前馈补偿误差,采用自适应滤波反馈控制对输入信号进行实时调控,实现对压电陶瓷叠层作动器的迟滞非线性及lg（t）型蠕变特性的实时精确补偿控制。数值仿真与实验结果表明,相比于常规前馈迟滞蠕变补偿,所提出的自适应混合补偿控制方法可以有效降低压电陶瓷叠层作动器的迟滞补偿误差,极大提高了迟滞蠕变非线性动态跟踪精度以及自适应性。     

Motion synchronization in a dual redundant HA/EHA system by using a hybrid integrated intelligent control design

This paper presents an integrated fuzzy controller design approach to synchronize a dis-similar redundant actuation system of a hydraulic actuator (HA) and an electro-hydrostatic actu-ator (EHA) with system uncertainties and disturbances. The motion synchronous control system consists of a trajectory generator, an individual position controller for each actuator, and a fuzzy force tracking controller (FFTC) for both actuators. The trajectory generator provides the desired motion dynamics and designing parameters of the trajectory which are taken according to the dynamic characteristics of the EHA. The position controller consists of a feed-forward controller and a fuzzy position tracking controller (FPTC) and acts as a decoupled controller, improving posi-tion tracking performance with the help of the feed-forward controller and the FPTC. The FFTC acts as a coupled controller and takes into account the inherent coupling effect. The simulation results show that the proposed controller not only eliminates initial force fighting by synchronizing the two actuators, but also improves disturbance rejection performance.     

基于仿真的空战效能评估分析研究

分析了作战飞机在执行空战任务过程中的使用特点,结合现代空战的特点、考虑四代机的特征及作战飞机各系统间的耦合情况,应用概率理论建立了作战飞机空战效能的计算评估体系,同时给出了发现目标概率、占位开火成功概率、导弹杀伤目标概率3个用于评估空战效能的阶段性指标.根据空战各阶段的特点,应用效能计算评估体系辅以模拟仿真的方法完成了空战效能的评估.结果表明,空战效能评估结果与空战能力评估结果吻合情况很好.     

精密跟瞄Hexapod平台研制及其振动控制

为了实现星载光学设备的精密跟瞄,以自行研制的宏/微双重驱动复合作动器为主动元件,设计了合理的平台构型,选择并装配了铰链等关键部件,组装完成了具有振动主动控制和大幅跟瞄能力的Hexapod平台原理样机。利用牛顿-欧拉法建立了Hexapod平台线性动力学模型。采用改进的自适应振动消减器(ADC)方法进行了平台主动隔振的控制仿真与实验研究。由仿真结果可知,当Hexapod平台底部受到方向不同的双频正弦微振动干扰时,控制可以隔离干扰向平台上平面的传播;在实验中,平台上平面处于水平位置及转动一定角度时,底部微扰动引起的各杆振幅均下降了90%左右。结果表明了所研制的Hexapod平台用于主动隔振的可行性、建模的有效性以及改进的ADC方法的合理性。     

空间站姿态控制系统实时仿真研究

研究了五棱锥构型的单框架控制力矩陀螺群作为执行机构的空间站姿态控制系统的实时仿真问题.根据空间站姿态控制系统的实时分布式仿真要求设计了仿真节点结构,综合了四种网络连接形式构建系统的实时网络环境,说明了仿真系统软、硬件平台的选择,以及系统仿真中的调度设计问题.最后对整个系统进行了分布实时仿真,运行结果说明了这种空间站姿态控制系统方案是可行的.     

推力矢量空空导弹的变结构自适应控制

提出了一种适用于带推力矢量空空导弹的变结构自适应控制器设计方法 ,推力矢量的采用是为了使导弹获得超机动能力以对付强机动目标。所设计的变结构控制律包括两部分,即线性控制部分和非线性切换控制部分,其作用力由气动舵面和非线性反作用喷气装置提供。在设计控制律时引入了对系统参数变化的自适应算法,简化了控制器的设计。数字仿真表明其有效。     

垂尾抖振主动控制的压电作动器布局优化

为了提高压电作动器垂尾抖振主动控制系统的控制性能,提出一种基于输出可控性的压电作动器优化准则。使用压电驱动载荷等效方法建立压电纤维复合材料（MFC）压电作动器力学模型,并建立了带MFC压电作动器垂尾结构模型的动力学方程。在模态可控性和模态价值理论的基础上,提出考虑剩余模态影响的压电作动器优化目标函数。针对垂尾结构的前5阶模态使用遗传算法优化得到压电作动器的布局方案,使用线性二次高斯（LQG）最优控制方法控制垂尾的抖振响应。仿真结果表明,本文优化得到的布局方案比用其他方法能更好地均衡系统的模态可控性,减小剩余模态的影响,获得更好的垂尾抖振响应控制。     

Closed-loop dynamic control allocation for aircraft with multiple actuators

A closed-loop control allocation method is proposed for a class of aircraft with multiple actuators. Nonlinear dynamic inversion is used to design the baseline attitude controller and derive the desired moment increment. And a feedback loop for the moment increment produced by the deflections of actuators is added to the angular rate loop, then the error between the desired and actual moment increment is the input of the dynamic control allocation. Subsequently, the stability of the closed-loop dynamic control allocation system is analyzed in detail. Especially, the closedloop system stability is also analyzed in the presence of two types of actuator failures: loss of effectiveness and lock-in-place actuator failures, where a fault detection subsystem to identify the actuator failures is absent. Finally, the proposed method is applied to a canard rotor/wing (CRW) aircraft model in fixed-wing mode, which has multiple actuators for flight control. The nonlinear simulation demonstrates that this method can guarantee the stability and tracking performance whether the actuators are healthy or fail.