● 摘要
新一代先进飞机对机动性和可靠性提出了更高的要求，伺服作动系统作为决定飞机性能的关键部件之一，其动态性能和可靠性显得尤为重要，特别是主控作动器性能的提升。由于主控舵面负载力矩大、动态性能要求高，目前各国飞机上最常用的还是电液伺服作动器。电液伺服作动器的性能主要由其关键的控制元件——伺服阀决定。传统的电液伺服阀，亦是应用最广的喷嘴挡板阀由于结构精密，耐污能力差，一直以来都是作动器系统中可靠性最薄弱的环节，同时其动态性能也不高。所以研究新型高可靠性的电液伺服阀，提高其抗污染能力和动态性能，同时设计合理的余度方案，进行有效的余度管理控制等，对于提高主控作动器的可靠性和动、静态性能具有重要的意义。为了克服传统喷嘴挡板阀先导级结构精密带来的耐油液污染能力差，可靠性低，动态性能不高的缺点，提出直动式压电陶瓷直接驱动伺服阀。压电陶瓷具有动态性能高、控制简单，可靠性高等优点，采用智能材料—压电陶瓷作动器直接驱动功率滑阀的阀芯运动，利用位移传感器反馈阀芯位置，进行闭环控制，从而可以得到很精确的控制流量。建立了压电陶瓷的精确模型。针对其阀芯位移、流量极小的特点，从节流面积和射流角角度两方面，分析了阀芯、阀套之间间隙和阀芯台肩圆角对阀芯小开口节流流量的影响，修正流量公式。在此基础上，得到传统四通圆柱型滑阀，考虑间隙和圆角情况下，零位极小开口时的流量公式，得出其流量和压力特性曲线。为解决压电陶瓷与阀芯固连式直驱阀控制流量小的不足，针对压电陶瓷输出位移小、输出力大的特点，设计了液压式微位移放大结构，传递压电陶瓷的能量，放大其位移输出，用来驱动功率滑阀。该位移放大结构主要由密闭液压腔，面积不同的大、小两个活塞和压力调节、监测装置组成。压电陶瓷驱动大面积活塞运动，挤压密闭腔内的油液，改变其体积和压力形态，体积和压力的变化导致小面积活塞产生放大的输出位移，用来驱动滑阀阀芯运动。该结构位移放大倍数接近大、小活塞的面积比。压力调节、监测装置用来调节密闭腔内的预压力，同时对工作过程中的压力进行监测、闭环反馈。采用传统圆柱形结构的刚性活塞，泄漏无法避免，这将导致整个放大结构性能降级甚至不能工作。同时活塞高频运动带来的大惯性力，密闭腔内高压流体作用其上的预压力以及运动过程中的摩擦力，必然成为压电陶瓷运动过程中很大的负载，从而导致压电陶瓷输出位移减小、动态性能降低。为此设计了柔性铰链膜片式的活塞结构，保证运动过程零泄漏，零摩擦，同时膜片的弹性预变形可以抵消密闭腔内流体的压力作用，大大降低压电陶瓷作动器的负载，提高整体的性能。与传统的刚性膜片结构不同，柔性铰链膜片的结构在保证强度的同时，取得了较大的位移输出性能。通过对设计的柔性铰链膜片刚度和强度进行了理论分析和有限元仿真，得出影响其刚度性能的主要参数，对其进行优化设计，取得最优的设计参数。在此基础上，对压电陶瓷直驱阀的其他部件进行选型、设计和建模。在各部分模型的基础上，建立了系统的整体仿真模型，基于AMESim和Simulink的联合仿真环境，仿真分析其系统特性，进行控制方法的研究。针对压电陶瓷自身迟滞及滑阀部分摩擦力带来的迟滞特性，分别采用Prsisach逆迟滞和LuGre摩擦模型预测，进行前馈补偿控制，提高了系统的动态性能。针对液压位移放大结构自身的负载敏感特性，采用压力反馈进行负载敏感预测，设计模糊式滑模控制器和Adaptive Backstepping控制器进行闭环控制补偿，提高了系统的控制精度。搭建压电陶瓷性能测试台，测试了压电陶瓷的迟滞、蠕变及负载特性。试制了基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动阀样机，进行了静态和动态性能测试，得到其流量、压力、零位泄漏、滞环和动态bode图曲线。针对压电陶瓷式直驱阀在阀控缸位置伺服系统中的应用进行研究。根据飞机上的双油源系统，为进一步提高其可靠性，在液压微位移放大结构的基础上，基于位移综合的方式，设计了两种双余度压电陶瓷直接驱动伺服阀结构，解决余度间力纷争的问题。设计了关键部件膜片的余度结构，对其正常工作及一次故障的情况进行仿真研究，为后面飞机用余度舵机的研究提供基础。