飛機舵機電液伺服系統多余力抑制方法研究

劉曉琳+殷健敏

摘 要：針對飛機舵機電液伺服系統在加載過程中出現易出現加載頻寬窄，響應速度慢、穩定性差、加載精度低等問題，采用BP神經網絡PID控制與結構不變性原理相結合的控制方法。該方法基于BP神經網絡的參數自整定原理調節系統參數，再根據結構不變性原理控制器。仿真結果表明，該控制方法不僅能有效抑制多余力的干擾，而且可以顯著提高飛機舵機電液伺服系統的控制性能。

關鍵詞：飛機舵機電液伺服系統；BP神經網絡；PID控制；結構不變性原理；多余力

1 概述

飛機在飛行過程中依靠操縱面的擺動產生空氣氣動力或力矩，從而改變飛行器的飛行姿態。飛機舵機是控制飛機操縱面實現飛行姿態的重要部件，其性能的好壞事保證飛機可靠并有效運行的關鍵環節[1]。為了便于研究飛機舵機的性能，通常在實驗室條件下建立飛機舵機電液伺服系統模擬飛機在實際飛行過程中所受到各種力載荷[2]，完成飛機舵機性能的相關測試。該方法不僅可以有效調節載荷梯度，能夠對非線性力載荷進行模擬加載，而且可以對舵機進行實時協調加載，更加符合飛機舵機對實時性的要求。因此，研究高精度的飛機舵機電液伺服系具有重要的現實和戰略意義[3]。

由于飛機舵機電液伺服系統是典型的被動式力伺服控制系統，在加載過程中，存在穩定性差、準確定低以及跟蹤效果不理想等影響[4]。因此，如何通過設計系統的控制方法，有效抑制多余力，是保證飛機舵機電液伺服系統精度和性能的基礎。目前國內外很多學者都十分重視電液伺服系統的發展，也得到了政府的資助，并且一直是液壓控制領域的一個前沿課題。

2 系統的結構組成

飛機舵機電液系統結構如圖1所示。整個系統主要由兩部分組成：加載系統和飛機舵機。

3 系統數學模型

3.1 電液伺服閥模型建立

電液伺服閥閥芯位移與控制輸入之間的傳遞函數為：

3.2 液壓缸模型建立

為了便于系統研究，采用線性化方法描述動力元件的非線性微分方程[5]。加載閥的線性方程為：

式中，QL為負載流量；Kq為滑閥流量增益；xv為伺服閥閥芯位移；Kc為伺服閥滑閥流量壓力放大系數；PL為負載壓力。

液壓缸的流量連續性方程為

式中，Ap為活塞面積；xp為活塞位移；Vt為液壓缸兩腔的總容積；？茁e為油液的彈性模量；Ct為總泄漏系數。

液壓缸和負載力平衡方程為

式中，Mt為活塞及由負載折算至活塞上的總質量；Bp為活塞及負載等運動件的黏性阻尼系數；KL為負載運動時的彈簧剛度；FL為作用在活塞上的其他負載力。

3.3 橡膠緩沖彈簧模型建立

橡膠緩沖彈簧所傳遞的力與活塞和飛機舵機的位移之差成線性比例關系[6]，其力傳感器的方程為：

FL=KL（xp-y） （5）

式中，y為舵機位移。

由式（2）至式（5），可以得到液壓缸和閥芯的位移傳遞函數為

由式（1）至公式（6），可以得到系統的傳遞函數為：

通過式（7）分析可知，多余力的產生因素與舵機位移、速度、加速度及其導數等因素有關使得系統力載荷指令信號出現相位滯后和幅值誤差，導致飛機舵機電液伺服系統性能較差。

4 飛機舵機電液伺服系統控制方法設計

為了確保加載系統能夠快速準確地輸出加載力，建立飛機舵機電液伺服系統數學模型，設計合理的控制策略是提高系統性能和抑制多余力的重要前提。

（1）利用BP神經網路PID控制器的原理對系統性能進行提高。

（2）采用飛機舵機速度信號作為補償器輸入，不僅將信號源補償在干擾信號出現之前，而且可以減小噪聲干擾，避免微分項放大噪聲影響系統工作，消除小加載梯度下多余力干擾明顯的問題，從而提高系統的加載精度和穩定性。

4.1 BP神經網絡PID控制

經典的PID控制器，由比例（P）、積分（I）、微分（D）3個部分組成，PID 控制器的工作原理是根據系統最初設定信號r（t）與實際輸出信號y（t）兩者之間產生偏差信號e（t），再將偏差信號 進行比例、積分、微分運算后，通過線性方式組合在一起輸出最終的控制信號，實現對硬件系統的閉環控制。其控制系統原理如圖2所示。

由于控制計算機接收到信號為離散的數字控制，根據采樣時刻的偏差值計算控制量，使用的是數字PID控制器。通常采用增量式數字PID控制算式，其控制算法如下：

4.2控制器設計

由于多余力的產生具由超前性，因此選擇飛機舵機運動指令信號作為信號源，結合其基本原理如圖4所示。

由公式（7）分析可知，為了消除式中多余力項，整個系統的傳遞函數為：

5 仿真實驗及結果分析

利用MTALAB計算機仿真實驗，驗證多余力抑制的有效性。

圖5中曲線1為原始數據下系統頻率響應曲線，其穿越頻率為421rad/s； 曲線2、3、4、5分別為？茁e、Kce、Vt、Mt增加50%時，系統的穿越頻率為387rad/s、427rad/s、390rad/s、498rad/s；根據曲線圖可知，隨著？茁e和Vt參數增加，對系統性能的影響相近似。

由圖4分析可知，在采用常規控制方法控制下，當出現干擾時，系統產生的振蕩較大，多余力瞬間增大至2.2T，幅差為16.9%，相差為15%，系統穩定性和加載精度較差。而在復合控制方法的控制下，系統產生的振蕩較小，多余力最大值可降至0.6T，幅差為3%，相差為5%，穩定性和加載精度較強。結果表明，復合控制方法可以顯著提高系統多余力抑制能力。

6 結束語

本文根據飛機舵機電液伺服系統的工作原理，建立了系統數學模型，分析了系統結構和多余力干擾的產生原因。利用本文提出的控制方法，可以在實驗室條件下對于模擬飛機舵機所受到的力載荷實現快速、準確的加載，取得很好地加載力跟蹤效果。

參考文獻

[1]徐小斌.電液伺服加載系統的研究[D].遼寧工業大學，2016.

[2]Karpenko M， Sepehri N. Electrohydraulic force control design of a hardware-in-the-loop load emulator using a nonlinear QFT technique[J].Control Engineering Practice，2012，20（6）：598-609.

[3]汪成文，焦宗夏，羅才瑾.基于改進的速度同步控制的電液負載模擬器[J].航空學報，2012，33（9）：1717-1725.

[4]韓俊偉.電液伺服系統的發展與應用（續）[J].機床與液壓，2012，40（2）：7-9.

[5]朱曉敏，延皓，孫萌.多自由度伺服機構負載模擬系統建模與實驗研究[J].兵工學報，2011，32（5）：602-606.

[6]劉小初.三級電液伺服閥特性及其控制技術研究[D].哈爾濱工業大學，2010.

[7]彭勇，陳俞強.改進蛙跳算法的LQR控制器的優化設計[J].智能系統學報，2014（4）：480-484.