浅谈航空领域中电液伺服系统应用
1 引言
飞机液压系统组成图
2 基本概念
2.1
电液伺服系统
“伺服”一词来源于希腊语中的“奴隶”。顾名思义，电液伺服系统即是指用电信号驱动伺服元件的液压反馈控制系统。
电液伺服系统仿真模型
在电液伺服反馈控制系统中，执行装置的实际输出量作用于控制对象，反馈元件监测控制对象状态信息产生电反馈信号，借助比较元件将反馈信号与规划指令进行比较，得到误差信号，经过相应的算法控制器处理后，通过放大元件生成控制指令传递给控制装置，引导执行装置下一步的动作。
电液伺服系统信号传递图
2.2
伺服元件
电液伺服系统中的伺服元件包括伺服阀与伺服泵。
传统液压系统中的换向阀只能用于流向的改变，而不能改变流量与压力的大小，无法满足现代工业控制的需求。为了满足人们对于“伺服”的需要，能够对压力、流量按比例地进行控制的比例阀，精度进一步提高的伺服阀以及介于两者间的比例伺服阀便应运而生。而比例阀通常用于开环控制系统中，故狭义来讲不算做伺服元件。
伺服泵则是指通过伺服电机来控制的液压泵，可以精确控制输出功率，根据工况要求供给合适流量的液压油，具有节约能源、降低油温、减少噪声等优点。
3 系统特性
传统液压伺服系统作为早期机载作动系统，采用液压信号作为控制信号传递的媒介，尽管有着输出功率大、可无级调速的优点，但其信号传递速度慢、延迟较高，不利于进行复杂综合运算，控制效果不理想，且能量损失较大，机身散热性差。
针对上述问题，电液伺服系统采用电信号取代液压信号，在保留液压系统优点的同时也有着自己的独到之处：
（1）控制装置与执行装置频率响应快。电液伺服系统中采用电液伺服阀作为控制装置，其固有频率通常在100Hz以上，能够实现高速启动、制动与换向。
（2）执行装置体积与重量小。电液伺服系统主要通过增大液体流量和压力来增加系统功率，同等大小的液压执行装置可以输出远大于机电控制系统的功率。
（3）传动平稳，抗干扰能力强。通过保持工作腔室的压力，可在高外部负载下实现执行装置平稳运行或是保位，具有良好的低速性能。
（4）调速范围广，功率增益高。借助高增益功放，通过流量与压力的调节，能够进行大范围的速度调节。
但以下缺点也不可避免：
（1）结构复杂，加工精度高，成本较高。
（2）液压油受温度影响较大。低温时油液粘度较大，启动时往往需要预热过程；高温时易产生泄漏与气穴现象。
（3）维护成本高。由于伺服阀芯较小，容易堵塞，对液压油液的清洁度提出较高要求，抗污染能力较差。系统泄漏也会影响系统正常运转，需及时预防。
4 常见应用
电液伺服系统因其响应快、负载大、传动平稳等特点在航空领域中得到普遍应用，如舵面控制、发动机控制、进气道控制、起落架控制、前轮转弯控制等。F-35便是一款典型的应用电液伺服控制系统的机型。
F-35电液伺服控制模块
4.1
舵面控制
F-35通过采用电静液作动器进行舵面控制，将传统集中能源式液压系统中的电动机、液压泵、液压油缸、管路集成为一个模块，减轻了飞机重量，同时降低了整体系统由于管路损坏导致失效的风险。
F-35电静液作动器
电静液作动器本质上是一种伺服泵控系统，相对于液压伺服中常用的阀控系统，具有更高的系统效率。通过控制电机的转速实现液压泵的变量输出，通过作动筒改变舵面角度，完成飞机的飞行姿态控制。
4.2
发动机控制
随着航空发动机技术的发展，高增压比发动机和军民用涡扇发动机增加了诸多几何控制变量，要求发动机控制系统具有更强的计算能力和逻辑处理功能。因此在传统液压机械机构中引入电液伺服控制系统。
F135发动机
如在控制发动机油门操纵杆时，一定的PLA（Power Lever Angle，发动机油门操纵杆角度）对应一定的发动机转速。当PLA改变时，状态给定装置解算出当前角度对应参考转速nr，并与发动机实际转速n比较后产生误差信号e1，误差信号经机械液压式放大器放大后改变燃油泵的燃油流量，从而控制发动机转速n到参考转速nr上。
类似地，一定的PLA还对应一定的喷口面积。当PLA改变时，喷口面积给定装置会与实际喷口面积产生误差信号e2，经解算后引导喷口面积操纵装置工作，利用液压泵输出的高压油推动作动筒，带动执行机构改变喷口鱼鳞板位置，使喷口面积与给定面积相等。
而在油门操纵杆推至加力位置时，得出一个保证发动机为最大转速的给定膨胀比πr，同时压力比测量装置通过感受压气机出口压力p1与涡轮出口压力p2，输出实际膨胀比πt，比较后产生误差信号e3，经机械液压式放大器放大后，控制加力燃油泵的加力供油量，使发动机处于加力工作状态，直到给定膨胀比与实际膨胀比相等。
发动机控制系统
4.3
前轮转弯控制
飞机的地面转向性能时飞机地面操纵性的重要指标。前轮转弯系统不仅能对飞机运动方向进行操纵，还能及时应对滑跑过程中可能产生的扰动、侧风、单侧轮胎爆破漏气等问题。通过应用响应速度快、跟随性能好的电液伺服系统，可满足上述需求。
前轮转弯控制系统
前起落架触地，前起轮载信号有效，转弯控制器发出指令，使转弯控制阀前高压油路接通。驾驶员操纵脚蹬，转弯控制器根据脚蹬转弯指令与反馈传感器反馈信号，结合机轮刹车系统传回的轮速信号，依据控制率向转弯控制阀提供输入电流，驱动转弯作动筒，进行转弯控制。
5 结语
电液伺服系统巧妙地结合了电控的信号传输精准与液控的负载大、响应快的特点，大大增强了现代飞机机动性能。为继续提升国际范围内我国的航空地位，一方面应继续深入电液伺服系统的研究，推动控制系统快速化、准确化、集成化、轻量化发展；另一方面应认真总结电液伺服系统的缺陷，寻找解决方案或替代之道。