电液泵控一体化作动系统的概念设计与控制策略研究

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雅宝题库解析：
从20世纪90年代开始，“先敌发现、先敌开火、先敌摧毁”的作战思想牵引着第四代战斗机发展的全过程。现代战场环境对战斗机的机动性能、生存能力、能量利用性能、信息综合与管理等方面都提出了越来越高的要求。同时，对民用客机来说，日益激烈的全球市场竞争和先进技术的不断发展激发了航空公司和乘客在安全、节能、环保、舒适、高效、低成本、易维护等方面日益提高的需求。多电飞机正是在这样的大背景下逐步发展成为21世纪军、民机的主流结构形式。与此相对应，功率电传作动系统将逐步取代传统的机载液压作动系统，成为与多电飞机发展相适应的新型操纵面执行机构。电气液压作动器（Electro-Hydrostatic Actuator, EHA）是目前技术发展比较迅速、在现役多电飞机上较多采用的一种功率电传作动器。其优点是结构紧凑，功率大，效率高，适合于大功率作动要求。从国内外近年的研究来看，电气液压作动器从技术角度上讲，涉及机械、液压、电气、控制以及计算机等学科领域；从研究方法和工具角度看，涉及多学科建模与仿真、系统动力学与控制、多目标综合优化评价、先进控制理论和半物理仿真等内容。虽然近十几年来，国内外的航空科研机构和院校已经对电气液压一体化作动系统进行了大量研究，但仍有创新概念设计、部件之间集成化设计、响应速度、控制策略、余度设计和通信与总线接口题目等一些关键题目没有解决，影响了它的实际应用。本文以具有快响应、高效率和节能特性的新型EHA作为主要研究对象，提出了一种带总压力控制阀的电气液压复合调节一体化作动器（Electro-Hydraulic Compound regulating integrated Actuator, EHCA）方案，主要从原理分析、系统建模、动态响应分析、多学科优化、总压力控制阀结构设计、非线性鲁棒控制器设计等方面进行了研究，并在相应的实验平台上完成了闭环测试研究。首先分析了现有的几种EHA系统的结构特点和优缺点，然后针对实际应用中亟待提高的响应速度题目，提出了一种带总压力控制阀的新型EHA系统——EHCA方案。该方案利用总压力控制原理，将传统阀控系统具有两个可控腔的特点通过总压力控制阀引入到电液泵控系统中来，使得所设计的EHCA系统具有与液压阀控系统相同的固有频率和响应速度。接着，建立了EHCA系统中各部件的频域模型和固有频率，为EHCA系统的深入分析建立了理论支持依据。在此基础上，从动态响应、效率、发热、功率匹配和刚度等方面阐述了EHCA获得工作性能所必须的条件。进一步，借助多学科优化设计思想，提出了机载功率电传作动系统的双层多目标优化策略，即以质量最轻作为飞机级的上层目标函数，来确定各个操纵面上配置的电气液压一体化作动器形式；以动态响应、效率、温升和能耗特性最优作为作动器级的下层目标函数，来确定作动器中七个主要决策变量的最优取值。并采用NSGA-II遗传算法分别求得了使双层决策中的所有目标函数均为次优的七个决策变量的Pareto解。这些变量的Pareto最优解将作为系统控制输入和部件选型时特性参数的参考标准，并为电气液压一体化作动器的控制律优化设计提供了理论依据。接着，从经典液压泵控系统的原理入手分析，讨论了其固有频率不及阀控系统的原因，即由于泵控系统只有一个控制腔。基于此，本文提出了总压力控制阀的设计目标，即不论外负载如何变化，要使泵控系统高、低压腔的压力之和始终为一常数。进一步，建立了总压力控制阀的时域非线性模型和频域线性模型，并从稳态误差、工作条件和一些重要的静态参数的计算等方面深入分析了总压力控制阀的静态特性。在此基础上，通过频域Bode图，分析了总压力控制阀中主要结构参数的变化对其动态调压特性的影响，并利用MATLAB软件得出了总压力控制阀的压力特性、阀芯位移和补油流量的变化规律。最后，在FLUENT软件中对阀芯所受的稳态液动力和瞬态液动力进行了计算，得到的仿真结果与采用集中参数法得到的结果是一致的，并得出稳态液动力和瞬态液动力对总压力控制阀性能影响很小的结论。针对双控制变量工作模式下的EHCA系统中存在的流量调节的相乘非线性题目，本文提出的核心设计思想是进行解耦控制，即将EHCA控制系统分为电机调速和变量泵排量调节两个子系统。前者的目标是实现EHCA的功率匹配且效率最优，后者的目标是实现作动筒的高精度位移控制。接着，首先利用输入—输出精确线性化理论对EHCA系统模型进行了代数变换，并设计了线性化的EHCA模型的最优调节器和滑模控制器。其优点是可以采用较简单的线性系统理论来设计控制器。然后，讨论了将Backstepping思想和滑模控制理论相结合的非线性控制器设计方法，以及基于Hamilton能量函数理论的非线性控制器设计方法。这两种方法的中心思想都是建立系统的Lyapunov稳定性函数，并且通过设计合适的控制输出使其小于等于零。其优点是所设计控制律的鲁棒性强，对解决存在参数不确定性和未知负载扰动的非线性控制题目的具有较好的控制效果。最后，在AMESim和MATLAB软件构成的联合仿真环境下，再次验证了由Backstepping非线性控制器构成的EHCA控制系统的有效性。最后，在某型电控容积型位置伺服系统实验平台的基础上，设计了基于卡尔曼滤波的状态估计算法，并测试了调速电机—定量泵这种单变量模式的EHA系统的闭环特性，给出了实验结论，并找到了存在的题目和今后实验工作的改进方向。综上所述，本论文所提出的新型电气液压泵控复合调节作动器方案，以及系统的多学科优化设计、总压力控制阀的静动态特性分析、具有高效率和快响应非线性鲁棒控制律研究等工作，可以显著增强飞机操纵面的功率电传作动系统在效率、动态响应、功率匹配和鲁棒性等方面的性能，满足多电飞机在操纵性能、能量利用和信息综合与管理等方面日益增加的要求。