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题目:多电飞机功率电传混合作动系统 关键技术研究

关键词:多电飞机;混合作动系统;功率电传;EHA;EMA;静态力纷争;动态力纷争;力均衡控制策略

  摘要


   功率电传作动系统作为飞机多电/全电化发展方向中的一个关键技术,将会逐渐取代传统的具有中央恒压液压源的伺服阀控作动系统,成为未来飞机的主要作动方案。功率电传作动系统可以大大降低飞机起飞质量、减小体积,增强其安全可靠性、维护性以及战伤生存率,同时可以减小成本,并且使随控布局变为现实,最终可以显著提高飞机的整体性能。功率电传作动系统是一种新型的采用电能传输功率的作动系统,现阶段的典型代表为电动静液作动器(EHA)与机电作动器(EMA),其中EMA由于其独特的优势将会是未来全电飞机的唯一作动形式,然而目前其技术还不够成熟,不能单独作用于主飞控舵面,此时功率电传混合作动系统作为一种过渡形式较好地解决了这个问题,它是将物理原理不同的作动器互为备份,可以充分利用各种作动器的优点,是未来“多电飞机”的发展趋势。混合作动系统由于各通道之间具有非相似余度,可以有效克服共性故障等众多优势,然而各通道之间的差异将会导致一系列问题的产生,比如力纷争、力均衡、余度管理、工作模式、可靠性及能量优化等需要解决。本文重点解决了混合作动系统的综合方式、数学建模、静态力纷争,动态力纷争及力均衡控制策略等关键技术问题。

    本文在对多电飞机、功率电传以及混合作动系统等的国内外研究现状进行调研及深入分析的基础上,首先介绍了EHA和EMA的系统组成及分类,归纳了其各自的优缺点并对其进行了综合对比。针对功率电传作动器的多学科特征提出了多学科优化设计方法(MDO),并结合质量功率展开(QFD)和参数关系矩阵(PRM)方法完成了功率电传作动系统的多学科优化设计理论分析,同时提出了功率电传作动系统的多学科设计流程及优化设计框架,提出利用计算机辅助设计的方法及所涉及的相应软件设计工具,在此基础上,给出了以质量、外形尺寸、成本、效率及发热量为目标的EMA系统多目标函数以及综合评价函数,并结合实例给出了相应的定量比较结果。

    在前面研究的基础上,首先对混合作动系统的输出综合方式进行分析总结,并得出了本文所研究混合作动系统将采用力综合方式共同承担舵面负载的结论,其次介绍了本文所要研究的由功率电传作动器EHA与EMA组成的混合作动系统的结构组成及工作原理,对伺服电机的选用进行了简单分析,并得出功率电传作动器采用无刷直流电机与永磁同步电机是首要选择。然后以此为基础,详细地建立了整个混合作动系统的线性和非线性模型。最后考虑到混合作动系统各通道之间的物理原理不同,其负载特性也将不同,对混合作动系统各通道间的负载特性匹配进行了讨论,并得到了负载特性匹配原则。

    在对前面混合作动系统线性数学模型进行深入分析的基础上,首先得到了混合作动系统的闭环系统负载位移及多余力表达式,并以此为基础在AMESim中搭建了混合作动系统的非线性模型,同时分析了混合作动系统特性对静态力纷争的影响。然后从理论推导和仿真分析两个角度对混合作动系统静态力纷争的成因及严重程度进行了深入分析,得出结论静态力纷争主要由作动器静态位置误差和作动器与飞控舵面的连接刚度决定,并据此提出了四种混合作动系统静态力均衡控制策略,它们分别为两通道位置控制+力纷争积分补偿、EHA位置控制/EMA力控制、EHA力控制/EMA位置控制以及EHA位置控制/EMA零力控制,并得出结论四种静态力均衡控制策略都可以实现减小静态力纷争的作用,同时控制器结构简单。同时提出了一种“电气离合”的控制方法,其简单的切换操作和较少的能量消耗使其也不失为一个可行之策。

   针对混合作动系统的动态力纷争,首先对其成因进行了理论与仿真分析,据此提出了三种动态力均衡控制策略,它们分别为轨迹发生器+前馈补偿器、PID力纷争反馈补偿以及通道一位置控制/通道二力控制,并得出结论三种动态力均衡控制策略都可以实现减小动态力纷争的作用,同时控制器结构简单。同时对各动态力均衡控制策略的鲁棒性、隔离性、复杂性和可靠性等进行了探讨。由于混合作动系统的非相似性造成其力纷争较大并且不能完全消除,本文提出了将大型舵面分离为单余度小型舵面的方法,首先探讨了分离舵面前后的作动器重量变化,其次针对该分离后的“混合作动系统”进行了理论和仿真分析,结果表明在不考虑故障后功能降级的条件下,不失为一种可行的办法。

   最后,搭建了混合作动试验系统,并对实验室现有的EHA-VS原理样机和两个EMA进行了实验研究。首先给出了实验室的总体布局设计,并给出了混合作动试验系统总体设计;其次完成了混合作动试验系统各组成部分的详细结构设计,并给出了两种新型可变刚度模拟器的设计结构。最后针对实验室目前现有的一个EHA-VS原理样机和两种EMA,首先对EHA-VS采用的无刷直流电机进行速度闭环性能试验研究,试验结果验证了其设计的正确性;然后基于实验室现有条件搭建了EMA试验系统,并对两种EMA进行了位置闭环性能试验研究,试验结果表明两种EMA完全可以达到5Hz频率响应,为进一步混合作动系统的设计和试验奠定了基础。