题目：复合式余度机电作动系统控制策略的研究

目前飞机上大多采用液压作动系统，它有很多自身的优点：输出力大、定位精度高、动态响应好、刚度高等；但传统的液压系统也有很多缺点，如泵和阀由于磨损和污染引起的故障、泄漏、寿命周期低、维修费用高，功率传输效率随着距离的增加而显著下降，管路很容易受到战斗损伤等。另一方面，液压作动系统的应用使得飞机上必需具备多种二次能源，目前飞机上的二次能源除电能外，还具备有液压能源、气压能源，多种二次能源也带来很多缺点：如飞机附件增加，重量增加，燃油消耗加大。液压和气压系统机械结构复杂，而使可靠性低，维修困难。解决所有这些问题的一个有效途径就是引入功率电传（Power By Wire简称PBW），即用电力作动系统取代液压作动系统，如电动静液压作动器(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA)或称电静液作动器，机电作动器(Electro-Mechanical Actuator，EMA)等。由于稀土永磁材料、大功率半导体器件和微处理器技术的迅速发展，出现了高性能稀土永磁无刷直流电动机，机电作动器的性能大为改善，使机电作动器取代液压作动器成为可能。机电作动器由无刷直流电动机、控制器、减速器、滚珠丝杠和输出机构组成，涉及到电磁理论、电力电子技术、现代控制方法、可靠性等多学科的基础与理论，因此进行机电作动器的研究不仅具有明显的应用前景，而且还有重要的学术意义。论文针对应用于下一代多电飞机的复合式余度结构的机电作动系统进行了研究。为了提高机电作动系统的任务可靠性，将两台双重绕组无刷直流电动机经行星齿轮减速器机械综合，输出到滚珠丝杠驱动飞机舵面偏转一定的角度，被称为复合式余度结构。双重绕组无刷直流电动机采用两套独立的功率电路驱动，首先形成电气双余度；两台电动机经齿轮机械耦合形成机械双余度，整体形成复合式余度结构，使整个系统具有四个电气通道、两个机械通道的两－两余度结构，具有“故障－工作/故障－安全”的容错工作能力。论文针对复合式余度机电作动系统的余度结构、容错性能和系统控制等方面内容，研究了复合式余度机电作动系统的相关理论，主要包括以下几个方面：(1) 分析了机电作动系统机械余度与电气余度结构的优缺点，总结了将电气与机械余度结构综合的复合式余度结构的特点，通过复合式余度结构的可靠性估计，验证了这种余度结构的合理性。(2) 首先讨论了应用于复合式余度机电作动系统的双重绕组无刷直流电动机、机械 传动部分、飞机舵面负载等的数学模型，在此基础上推导了复合式余度机电作动系统的状态空间数学模型，并且分析了系统在几种容错工作模式下参数变化和频率特性，最后对系统的非线性特性进行了分析。(3) 根据电动机功率损耗不变的原则，确定容错运行方式下系统输出的最大允许电流和转矩，分析容错运行方式对系统动态性能的影响，以此能够确定容错系统的控制能力。提出在不损坏系统部件的前提下，使电动机适当过载运行，来提高容错模式下的输出转矩，改善系统的动态性能的想法。(4) 针对系统电流均衡、大负载扰动及气流和阵风干扰、以及容错模式下的结构、参数变化等控制中应该考虑的问题，将积分－模糊滑模变结构控制应用于机电作动系统，设计了积分－模糊滑模变结构控制器，采用五个滑模函数(滑模面)来分别控制位置、转速和四个通道的电流。重点对容错工作模式进行了仿真分析，在不改变系统控制器结构的基础上，采用了控制律容错重组，在保持系统功率损耗不变的情况下，改善容错模式下系统的动态性能；(5) 对复合式余度机电作动系统进行了初步的试验研究，双重绕组无刷直流电动机原理样机功率为10kw，额定转速10000rpm，复合式余度机电作动系统最大输出力104000N, 丝杠行程76±1mm，丝杠最大线速度124mm/s。