电气液压复合调节容积式舵机的精确线性化控制

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1、万方数据第40卷第1l期机械工程学报v01．40No1l2004年“月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGNou204电气液压复合调节容积式舵机的精确线性化控制4李运华王占林(北京航空航天大学自动化学院北京l00083)摘要：针对先进歼击机功率电传作动系统舵面控制的需求，提出了一种具有电气一液压复合调节容积式舵机的结构方案，并讨论了这种舵机的操纵状态和工作特性。在此基础上，推导了描述舵机动态特性的非线性状态方程。然后，采用非线性系统的几何控制理论，证明了系统满足精确线性化的条件，并给出了基于时间一误差性能指标(ITA

2、E)最小的最优控制律，成功地解决了复合舵机控制系统存在的交联问题和相乘非线性问题。所提出的控制方法奠定了电气一液压复合舵机非线性控制理论的基础。关键词：舵机电气伺服系统液压伺服系统非线性控制微分几何中图分类号：THl370前言随着战斗机在机动性、生存能力、能量利用性、信息综合与自动化等方面要求的提高，对飞控系统的关键部件—舵机在功率传输及调节、通信及控制、可靠性、能量利用、体积及重量等方面提出了越来越高的要求。电动舵机虽然具有功率传输和控制综合方便等优点，但在定位刚度(即伺服系统抵抗外负载干扰的能力)、响应速度和功率质量比等方面相比电液阀控舵机还有较大的

3、差距；而另一方面电液阀控舵机也存在着效率低、对油液污染敏感等不足之处。因此将两者结合形成功率电传，电气一液压复合调节的作动系统是非常有意义的。人们在比较了功率电传作动系统可能实现的四个方案即电动机一机械传动驱动舵面方案(EMA)、电液阀控舵机方案(EHv)、电动机一泵控作动方案(EPA)和电液容积复合作动方案(EPCA)后发现，EPcA可望成为大功率电传作动系统的功率转换与执行部件。通过合理配置余度并设计高性能的直接与总线接口的数字控制器，EPcA可能成为第四代和第五代战斗机的副翼舵机。参考文献[1]对泵控舵机进行了原理描述和特性分析。参考文献[2]对电

4、动机一定量泵电液舵机进行了分析与仿真。参考文献[3～5]给出了仿射非线性系统精确线性化反馈控制的理论与设计方法。参考文献[6，7】将非线性系统几何控制理论引入液压伺服控制领域，提出了液压伺服系统的非线性控制与非线性优化设计理论与方法。参考文献[8，9】进一步研究了电液速度系统和单杆非对称缸伺服系统的非线性控制方法。参考文献[10】基于线性控制理论研究了电机一定量泵电液舵机的控制策略。与电气舵机和电液伺服舵机不同，电液复合调节容积式舵机存在着电气通道与液压通道之间的交联问题和相乘非线性问题，因此采用线性控制理论设计控制器难以奏效。这里通过对舵机系统的特性分

5、析，提出了基于精确线性化的ITAE最佳控制方法，奠定了电气一液压复合舵机非线性控制理论的基础。l基本描述电液复合调节容积式舵机如图1所示。它由电气伺服系统(一般是直流无刷电动机速度伺服系统)和泵控缸位置伺服系统复合而成。系统中，三个液控阀的作用是对舵面产生锁定作用同时使变量泵处于卸荷状态：并在液压缸两腔之间的切断阀起旁通液压缸两腔的作用，这些阀在余度控制时都要用到。对于这种舵机，通过对电动机电枢和变量机构的电液伺服阀的线圈施加合适的控制量做到舵机位置对+苎妻苎掣登荒苎；学助项目(97E51002)。20040403收到初稿，图1电液复合调节容积式舵机20

6、040728收到修改稿⋯一。‘。万方数据机械工程学报第40卷第11期指令位置的响应有满意的动态品质，同时使电动机m。——活塞e疗质量经常运行在额定转速附近。匮——有效体积模量2电液复合调节舵机的数学模型2．1电动机的动态方程电液复合调节舵机的电动机一般采用直流无刷电动机或交流永磁同步电动机，通过PwM调制、矢量控制和变频驱动等措施可以转化为等效的直流电动机调速系统。对于设有电流环的直流电动机伺服系统，在电流环采用PI调节且忽略粘性阻尼的条件下，其动态方程为厶西m=(K／R)峨(f)一Dp(f)岛(f)(1)式中Dn——变量泵的排量丘——电动机的转矩系数足

7、——电动机的等效电枢电阻^——电动机的等效转动惯量q。——电动机的角速度风——变量泵工作油腔之间的压差2．2变量泵的动态方程电液复合调节舵机的变量泵为电液伺服变量泵，其变量调节机构为一电液位置伺服系统。若忽略变量泵的调节力矩、液压油的可压缩性和斜盘质量对变量泵的动态特性的影响，变量泵的变量调节机构的动态方程为‘Dp(r)+B(f)=≮“P(f)(2)式中虬——变量泵电液伺服变量机构的控制电压疋——变量泵的排量调节增益(一·V_1·md“)￡——变量泵的时间常数2．3变量泵一液压缸动力机构的动态方程对于图l所示的电液复合调节舵机，根据液压控制理论，可以写出

8、动力机构的动态方程为J‰Dp=cLpP+(K／2墨)岛+4韩{所4=％靠+k(蚱