基于ADRC和模型預(yù)測(cè)控制的直驅(qū)伺服閥振蕩抑制研究

摘 要：直驅(qū)伺服閥因構(gòu)造簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)、輸出功率大等突出優(yōu)勢(shì)，逐漸擴(kuò)展其應(yīng)用場(chǎng)景。作為飛控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，電液伺服閥的特性與可靠性直接關(guān)乎飛行性能與安全。本文針對(duì)某型航空用雙系統(tǒng)直驅(qū)伺服閥存在的閥芯振蕩問(wèn)題，探究基于方法的伺服閥振蕩抑制策略。建立了該直驅(qū)伺服閥系統(tǒng)的部件級(jí)數(shù)學(xué)模型，并與突變液流力模型聯(lián)合運(yùn)算；設(shè)計(jì)了自抗擾控制器（ADRC）和模型預(yù)測(cè)的復(fù)合控制方法，并與傳統(tǒng)比例積分微分（PID）控制方法進(jìn)行仿真對(duì)比。結(jié)果表明，ADRC和模型預(yù)測(cè)的復(fù)合控制方法對(duì)直線電機(jī)電流的高頻小范圍調(diào)節(jié)可有效抵消突變液流力對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)的影響，從而為直驅(qū)伺服閥在復(fù)雜受力環(huán)境下的控制器設(shè)計(jì)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：雙系統(tǒng)直驅(qū)伺服閥； 自抗擾控制器； 模型預(yù)測(cè)控制； 閥芯振蕩； 突變液流力

中圖分類(lèi)號(hào)：V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.02.011

基金項(xiàng)目： 航空科學(xué)基金（201907052001）

飛機(jī)飛行操控機(jī)構(gòu)（如舵面、起落架和剎車(chē)）通常采用電液伺服系統(tǒng)，其性能對(duì)飛行控制、可靠性和安全性非常重要[1]。伺服閥具有精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)操控機(jī)構(gòu)中作為主要控制元件廣泛應(yīng)用[2-3]。近年來(lái)，直驅(qū)伺服閥由于其高抗污染能力和高可靠性成為主要研究熱點(diǎn)之一。直驅(qū)伺服閥直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有驅(qū)動(dòng)力大、閥芯行程長(zhǎng)、輸出功率大，及抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)伺服閥故障及控制方法開(kāi)展了大量研究。伺服閥故障主要表現(xiàn)為閥芯振蕩和嘯叫等，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致伺服系統(tǒng)性能惡化并帶來(lái)災(zāi)難性后果。文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[9]以壓力伺服閥為研究對(duì)象，分析了伺服閥振蕩、嘯叫現(xiàn)象的特征與產(chǎn)生機(jī)理，并提出了調(diào)整擋板尺寸形狀參數(shù)等改變其阻尼的改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[10]～文獻(xiàn)[11]對(duì)平衡閥工作中的高頻振動(dòng)進(jìn)行了湍流模型下二維流體仿真與試驗(yàn)研究，認(rèn)為射流引起的壓力脈動(dòng)是高頻振動(dòng)的重要原因。同時(shí)，流場(chǎng)中的氣穴、自振和剪切層振蕩是閥類(lèi)振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因。文獻(xiàn)[12]～文獻(xiàn)[14]認(rèn)為射流流域內(nèi)的剪切層振蕩是導(dǎo)致流體自激振蕩的原因，并以溢流閥為例分析了其自激振蕩的產(chǎn)生機(jī)理。同時(shí)，文獻(xiàn)[15]～文獻(xiàn)[18]對(duì)伺服閥前置級(jí)流動(dòng)進(jìn)行仿真，認(rèn)為流場(chǎng)內(nèi)渦流的變化直接影響能量損耗和流體噪聲。

控制方法方面，各類(lèi)先進(jìn)控制理論逐步被應(yīng)用至閥類(lèi)控制領(lǐng)域[19-20]。文獻(xiàn)[21]～文獻(xiàn)[22]分析了高頻響比例換向閥的各種非線性因素來(lái)源，提出了一種基于前饋補(bǔ)償?shù)目刂品椒?，該方法有效地提高了閥的頻響和位置控制精度。帶干擾補(bǔ)償?shù)姆答伔蔷€性魯棒控制策略[23-25]也被提出，適用于具有匹配和不匹配廣義不確定性（如參數(shù)導(dǎo)數(shù)、外部干擾、建模誤差和/或未建模動(dòng)態(tài)）的液壓系統(tǒng)，通過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略能夠有效提高系統(tǒng)位置控制性能。同時(shí)，文獻(xiàn)[26]～文獻(xiàn)[28]通過(guò)引入輔助信號(hào)并結(jié)合期望軌跡前饋補(bǔ)償?shù)母拍?，提出一種輸出反饋反步控制策略，控制策略中的魯棒延遲補(bǔ)償反饋可以補(bǔ)償閥門(mén)動(dòng)態(tài)，擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器用于估計(jì)系統(tǒng)不可測(cè)狀態(tài)和匹配不確定性。這種控制策略的優(yōu)勢(shì)在于可以不增加系統(tǒng)模型的階數(shù)來(lái)逼近閥的動(dòng)態(tài)，解決了反步法控制模型的“復(fù)雜性爆炸”問(wèn)題。

綜上，伺服閥現(xiàn)有研究中針對(duì)閥芯振蕩問(wèn)題，多進(jìn)行流體流動(dòng)機(jī)理與結(jié)構(gòu)參數(shù)上的探究，主要思路是以改進(jìn)結(jié)構(gòu)為主要方法避免產(chǎn)生閥芯振蕩故障。但隨著控制理論的發(fā)展，各類(lèi)新型控制方法可有效提升伺服閥動(dòng)態(tài)性能，估計(jì)系統(tǒng)不可測(cè)狀態(tài)，通過(guò)設(shè)計(jì)高抗擾性、強(qiáng)預(yù)測(cè)性控制方法對(duì)閥芯位移進(jìn)行主動(dòng)控制變得可行。

本文針對(duì)飛控系統(tǒng)雙系統(tǒng)直驅(qū)伺服閥閥芯振蕩問(wèn)題，建立直驅(qū)伺服閥部件模型及伺服系統(tǒng)模型，提出一種基于ADRC和模型預(yù)測(cè)的復(fù)合控制方法，該方法與傳統(tǒng)PID控制方法相比，可有效抑制伺服閥閥芯振蕩，為伺服閥控制器設(shè)計(jì)提供參考。

1 直驅(qū)伺服閥數(shù)學(xué)模型

1.1 直驅(qū)伺服閥結(jié)構(gòu)原理

直驅(qū)式伺服閥由直線電機(jī)、拉桿、閥芯、閥套及位移傳感器等組成。閥芯為兩只四通閥連接為一體的結(jié)構(gòu)，其通過(guò)拉桿與直線電機(jī)連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥芯時(shí)帶動(dòng)兩組閥口變化，從而實(shí)現(xiàn)雙液壓系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)。位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量閥芯位移并反饋至閥控制器，以構(gòu)成閥內(nèi)閉環(huán)回路。閥套與閥口對(duì)應(yīng)部位開(kāi)有四處通油節(jié)流孔，與閥芯構(gòu)成非全周開(kāi)口以滿(mǎn)足最大開(kāi)度內(nèi)的節(jié)流邊可控。

1.2 直線電機(jī)模型

本文前期研究中，基于對(duì)雙系統(tǒng)直驅(qū)伺服閥回油腔數(shù)值模擬，研究得到伴隨氣穴規(guī)律性潰滅而產(chǎn)生的高頻壓力脈動(dòng)導(dǎo)致閥腔內(nèi)兩閥芯凸肩面所受流體合力不平衡，進(jìn)而引發(fā)閥芯高頻振蕩。對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行面積分后處理可得到各凸肩面受油液合力，提取其特征形成液流力模型，其曲線如圖2所示，將該液流力模型以負(fù)載形式代入直驅(qū)伺服閥閥芯運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)突變液流力環(huán)境下的直驅(qū)伺服閥響應(yīng)探究。

3.2 仿真結(jié)果及分析

基于上述直驅(qū)伺服閥系統(tǒng)仿真模型探究控制方法，對(duì)閥芯振蕩抑制效果進(jìn)行探究，輸入階躍指令，ADRC+MPC和PID控制方法響應(yīng)曲線如圖3所示。

由圖3仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于突變液流力對(duì)伺服閥閥芯的作用，作動(dòng)器在控制指令輸入前，已不能保持穩(wěn)態(tài)，在小范圍內(nèi)抖振，響應(yīng)曲線呈類(lèi)正弦狀。階躍指令輸入后，兩種控制方法下的模型均較快爬升，響應(yīng)初段，PID方法與ADRC+MPC方法并未產(chǎn)生較大差距，但由于閥芯所受阻力復(fù)雜，在上升后段，PID方法下模型響應(yīng)速度明顯降低，并且抖振現(xiàn)象加劇，爬升曲線呈階梯狀。且隨著對(duì)控制指令的接近，抖振現(xiàn)象加劇，最終在穩(wěn)態(tài)值附近恢復(fù)高頻抖振。當(dāng)指令信號(hào)為正弦曲線時(shí)，PID方法下模型跟蹤指令效果明顯較差。圖4為兩種控制方法在階躍響應(yīng)下的閥芯位移。

由圖4可更直觀地發(fā)現(xiàn)突變液流力對(duì)伺服閥閥芯的影響。PID方法下，控制器不能完全抵消突變液流力帶來(lái)的閥芯抖振，在響應(yīng)過(guò)程中和接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，閥芯位移始終出現(xiàn)抖振現(xiàn)象，從而影響伺服系統(tǒng)中作動(dòng)器位移。而ADRC+ MPC控制方法下，閥芯位移變化更為平緩，抖振現(xiàn)象也明顯削弱，且在接近穩(wěn)態(tài)后，能保證閥芯位移在0附近，偏移量較PID方法有明顯改善。

圖5所示為直線電機(jī)各軸電流變化曲線對(duì)比，兩種控制方法下的直線電機(jī)電流曲線變化趨勢(shì)并無(wú)較大區(qū)別，但ADRC+MPC方法下電流值存在更多的小范圍調(diào)節(jié)，以抵消突變液流力對(duì)閥芯控制效果的影響。

圖6所示為增大突變液流力幅值和頻率后，兩種控制方法對(duì)階躍指令的響應(yīng)效果對(duì)比。從圖6中曲線對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)突變液流力幅值頻率均增大后，PID方法下的模型響應(yīng)效果明顯下降，響應(yīng)速度減慢并且出現(xiàn)較大的穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)下的抖振現(xiàn)象也明顯變強(qiáng)，而ADRC+MPC方法下的模型響應(yīng)雖同時(shí)出現(xiàn)抖振現(xiàn)象，但強(qiáng)度較小，未對(duì)實(shí)際響應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生影響。

圖7所示為突變液流力與外部負(fù)載共同作用下的作動(dòng)器響應(yīng)曲線對(duì)比。于0.3s引入外部突變負(fù)載，PID方法下位移出現(xiàn)大幅振蕩且調(diào)節(jié)較慢，而ADRC+MPC方法下模型響應(yīng)在位移突變后迅速調(diào)整回指令位移處。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某型航空用雙系統(tǒng)直驅(qū)伺服閥閥芯振蕩問(wèn)題，基于直線電機(jī)、伺服閥等部件數(shù)學(xué)原理搭建了該直驅(qū)伺服閥系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。結(jié)合前期研究中獲得的閥芯振蕩機(jī)理，建立突變液流力模型，并代入直驅(qū)伺服閥系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)了ADRC和主動(dòng)預(yù)測(cè)控制的復(fù)合控制方法并與傳統(tǒng)PID控制方法開(kāi)展對(duì)比仿真研究。主要結(jié)論如下：

（1）受突變液流力影響，直驅(qū)伺服閥閥芯始終屬于小范圍抖振運(yùn)動(dòng)，在對(duì)控制指令響應(yīng)過(guò)程中，抖振現(xiàn)象會(huì)極大影響作動(dòng)器響應(yīng)速度和響應(yīng)精度。

（2）相比于傳統(tǒng)PID方法，ADRC+MPC復(fù)合控制方法能有效控制伺服閥閥芯抖振，其通過(guò)高頻小范圍調(diào)節(jié)直線電機(jī)各軸電流，抵消突變液流力，使閥芯運(yùn)動(dòng)平緩，進(jìn)而提升作動(dòng)器的響應(yīng)效果。

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Research on Spool Vibration Suppression of Direct Drive Servo Valve Based on ADRC and MPC

Ren Pengda1， Zhang Wei2， Xie Zhigang2， Wang bin1，3

1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China

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3. Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System， Nanjing 210016， China

Abstract： Direct drive servo valve gradually expands its application scenarios because of its advantages such as simple structure， strong antipollution ability and large output power. As one of the key components of flight control system， the characteristics and reliability of electro-hydraulic servo valve are directly related to flight performance and safety. In order to solve the problem of spool oscillation of a type of dual-system direct drive servo valve for aviation， a new control method for spool oscillation suppression is proposed in this paper.The component level mathematical model of the direct drive servo valve system is established， and the calculation is combined with the sudden fluid flow force model in the previous study. The composite control method of ADRC and active prediction is designed and compared with the traditional PID control method. The results show that the combined control method of ADRC and active prediction can effectively counteract the influence of sudden fluid flow force on the spool movement of linear motor current， and provide a theoretical reference for the controller design of direct drive servo valve under complex stress environment.

Key Words： dual-system direct drive servo valve； ADRC； MPC； spool oscillation； sudden fluid flow force