浅谈航空领域中电液伺服系统应用

1 引言

近年来,电液伺服系统在航空、航天、军事等领域中得到广泛的应用。什么是电液伺服系统,电液伺服系统相较于其他控制系统有什么独到之处,航空领域中有哪些普遍应用,本文将围绕以上问题进行简要地介绍。

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。

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