直驅(qū)閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

張 宇，陳 珂，王少永，李華忠，彭國(guó)華，羅 星

直驅(qū)閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

張 宇，陳 珂，王少永，李華忠，彭國(guó)華，羅 星

（中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫 214063）

為提高直驅(qū)閥系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了1種位置環(huán)加電流環(huán)的直驅(qū)閥雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中位置環(huán)采用比例積分控制加相位超前校正，電流環(huán)采用比例積分控制。在M A TLA B平臺(tái)上，開(kāi)展了電流環(huán)仿真、位置環(huán)的參數(shù)辨識(shí)以及仿真；在由D SP和FPG A構(gòu)成的驗(yàn)證平臺(tái)上，開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證，電流環(huán)與位置環(huán)的控制效果與仿真模型均一致，獲得了400 H z以上的電流控制帶寬和25 H z以上的位置控制帶寬。研究結(jié)果表明：此控制器設(shè)計(jì)及校正方法可有效提高直驅(qū)閥系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。

直驅(qū)閥；超前校正；模型識(shí)別；雙閉環(huán)控制；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電液伺服閥作為主要的電液轉(zhuǎn)換元件被廣泛應(yīng)用于油針、導(dǎo)葉、矢量噴管等伺服回路的控制。然而，由于傳統(tǒng)電液伺服閥存在一些致命缺陷（結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗污染能力差等[1]），其故障已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)最主要故障來(lái)源之一。直驅(qū)閥（Direct Drive Valve，DDV）的出現(xiàn)則從根本上解決了這些問(wèn)題。較之傳統(tǒng)電液伺服閥，直驅(qū)閥利用力（矩）馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)主閥芯，沒(méi)有尺寸精密的噴嘴擋板及射流嘴等易堵塞的結(jié)構(gòu)，抗污染能力強(qiáng)、可靠性高，是伺服閥的主要發(fā)展趨勢(shì)[2-5]。

國(guó)外早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開(kāi)始將DDV應(yīng)用于各種主戰(zhàn)飛機(jī)的飛控系統(tǒng)中[6]。國(guó)內(nèi)DDV的研究起步較晚，文獻(xiàn)[7]成功將DDV應(yīng)用于飛機(jī)的剎車(chē)系統(tǒng)中；文獻(xiàn)[8-9]將DDV應(yīng)用于飛機(jī)的飛控系統(tǒng)中，獲得較好的控制效果；文獻(xiàn)[10]基于H橋和可編程器件開(kāi)展了直驅(qū)閥驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)及控制邏輯設(shè)計(jì)；北航蔚永強(qiáng)等就直驅(qū)閥系統(tǒng)的余度控制策略開(kāi)展了詳細(xì)建模和仿真，有效克服余度降級(jí)帶來(lái)的系統(tǒng)性能下降，改善了系統(tǒng)的品質(zhì)[11]；王大彧等又將模糊PID控制應(yīng)用于音圈電機(jī)的控制，獲得了較好的抗干擾性和魯棒性[12]；夏立群等還就閥芯摩擦力模型開(kāi)展建模，并設(shè)計(jì)了基于摩擦力補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)補(bǔ)償器，改善了DDV的性能[13]。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制及有著高安全需求的應(yīng)用場(chǎng)合，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需均衡考慮系統(tǒng)復(fù)雜度、性能、壽命等指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了1個(gè)基于位置環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，并利用經(jīng)典控制的理論和方法，設(shè)計(jì)電流環(huán)的控制參數(shù)，獲得了滿(mǎn)意的控制效果；利用階躍響應(yīng)辨識(shí)了位置環(huán)的模型參數(shù)，將超前校正應(yīng)用于DDV的位置閉環(huán)控制中，改善了位置環(huán)的動(dòng)態(tài)特性。

1 DDV控制系統(tǒng)組成

DDV閉環(huán)控制的目的是使得DDV的閥芯位置可以實(shí)時(shí)跟蹤輸入的位置給定值，為此可采用位置環(huán)+電流環(huán)的雙閉環(huán)串級(jí)控制，亦可采用位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的3閉環(huán)串級(jí)控制[14-15]。增加速度內(nèi)環(huán)可以明顯改善位置控制的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，但受到傳感器的限制，在實(shí)際工程中難以獲得有效的DDV閥芯速度信號(hào)，因此，在DDV的位置控制中，位置環(huán)+電流環(huán)的雙閉Pc為位置指令信號(hào)，Ic為電流指令信號(hào)，U為斬波器輸出的平均電壓，Io為閥實(shí)際電流值，Po為閥的實(shí)際位置值。位置環(huán)通過(guò)對(duì)位置指令與位置反饋之間的誤差計(jì)算獲得電流環(huán)的指令信號(hào)，電流環(huán)則通過(guò)對(duì)電流指令與電流反饋之間的誤差計(jì)算獲得占空比控制信號(hào)，電流環(huán)的存在既可以有效抑制母線(xiàn)電壓波動(dòng)對(duì)位置控制的影響；又可以防止DDV過(guò)流，從而保證DDV的安全。

圖1 DDV控制系統(tǒng)組成

2 電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

DDV力矩馬達(dá)的繞組可視為電感和電阻的串聯(lián)模型，繞組電流I（s）與驅(qū)動(dòng)電壓U（s）之間的關(guān)系為

電流環(huán)若采用純比例控制，則電流環(huán)為I型控制系統(tǒng)。階躍響應(yīng)無(wú)超調(diào)，但存在穩(wěn)態(tài)誤差，理論上通過(guò)增大開(kāi)環(huán)增益可將誤差控制在可接收的范圍內(nèi)，但在具體工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于電流采樣環(huán)節(jié)不可避免地會(huì)給系統(tǒng)引入高頻干擾信號(hào)，過(guò)分增加開(kāi)環(huán)增益極易造成系統(tǒng)振蕩，因此，電流環(huán)采用比例-積分控制更為合適。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，盡可能增加比例增益，以使得系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆e分補(bǔ)償使得系統(tǒng)階躍響應(yīng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，為防止退飽和時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，積分環(huán)節(jié)也需增加適當(dāng)?shù)姆e分限幅。

對(duì)電流環(huán)建模如圖2所示，開(kāi)環(huán)波特如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，穿越頻率約為423 Hz，相角裕度約為83.3°，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 電流環(huán)閉環(huán)模型

圖3 電流環(huán)開(kāi)環(huán)波特

在仿真模型中，電流環(huán)對(duì)400 Hz、±0.2 A正弦電流指令信號(hào)的跟蹤效果如圖4所示。

圖4 電流環(huán)仿真模型跟蹤控制

鑒于DDV線(xiàn)圈的電阻為4.5Ω，電感為3 mH，即電氣時(shí)間常數(shù)為0.67 ms，綜合考慮斬波頻率和PWM的分辨率選用68 μs的斬波周期，即斬波頻率為14.7 kHz，占空比分辨率為1/2040。將采樣電阻直接串聯(lián)在DDV線(xiàn)圈回路中，選用雙向高共模輸入的差分放大器LT1999，將采樣電阻兩端電壓信號(hào)放大，放大后的信號(hào)輸入至高速串行AD中采集。鑒于電流環(huán)運(yùn)算頻率較高，為降低CPU的工作負(fù)荷，電流環(huán)的采集、計(jì)算任務(wù)由FPGA（A3P1000）實(shí)現(xiàn)。在每個(gè)控制周期（68 μs）內(nèi)，F(xiàn)PGA完成 AD采集、偏差計(jì)算、積分和累加（積分限幅）、比例項(xiàng)乘法計(jì)算、積分項(xiàng)乘法計(jì)算以及占空比輸出等任務(wù)，為降低FPGA的資源利用率，比例項(xiàng)乘法運(yùn)算和積分項(xiàng)乘法運(yùn)算通過(guò)時(shí)分復(fù)用的形式共用1個(gè)乘法器。實(shí)測(cè)電路對(duì)100、400 Hz電流指令的跟蹤效果如圖5所示。從圖中可見(jiàn)，實(shí)測(cè)模型與仿真模型的一致性較好，電流環(huán)可保證400 Hz以上帶寬。

圖5 實(shí)測(cè)電流環(huán)跟蹤控制

3 位置控制器設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.1 位置環(huán)模型識(shí)別

由于電流環(huán)帶寬在400 Hz以上，遠(yuǎn)高于位置環(huán)的帶寬（一般不超過(guò)40 Hz），在分析位置環(huán)控制時(shí)，可將電流環(huán)等效成理想的比例環(huán)以簡(jiǎn)化分析。

閥芯受力可簡(jiǎn)化成如圖6所示模型。圖中：KI為電磁力常數(shù)，Kf為阻尼系數(shù)，m為閥芯質(zhì)量。由于本文所涉及DDV無(wú)回位彈簧，閥芯只受電磁力和阻尼力的作用（忽略液動(dòng)力），閥芯力平衡關(guān)系為

對(duì)其進(jìn)行拉普拉斯變換可得閥芯位移與線(xiàn)圈電流之間的傳遞函數(shù)關(guān)系為

圖6 閥芯受力模型

圖7 閥仿真模型

可將閥建模成仿真模型，如圖7所示。其中CHB為L(zhǎng)VDT傳感器輸出的差和比信號(hào)（bit值表示，為差和比數(shù)值乘4096），對(duì)實(shí)際DDV施加1 A電流階躍信號(hào)，位置環(huán)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖8所示。其輸出信號(hào)波形為實(shí)線(xiàn)所示，通過(guò)調(diào)整仿真模型中K1、K2的系數(shù)，對(duì)比仿真模型輸出和實(shí)測(cè)輸出的區(qū)別，多次擬合后可得當(dāng)K1=1.5×10-7、K2=3.3×10-7時(shí)，仿真模型與實(shí)測(cè)模型的階躍響應(yīng)波形較為接近，如圖中虛線(xiàn)所示。因此可將閥的傳遞函數(shù)近似為

圖8 位置環(huán)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)

3.2 位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)

位置環(huán)波特如圖9所示。虛線(xiàn)為閥的開(kāi)環(huán)特性曲線(xiàn)。選取適當(dāng)?shù)拈_(kāi)環(huán)增益，使得位置閉環(huán)的開(kāi)環(huán)穿越頻率發(fā)生在25 Hz左右（即期望位置環(huán)獲得25 Hz左右的帶寬）。實(shí)線(xiàn)為系統(tǒng)開(kāi)環(huán)特性曲線(xiàn)。可見(jiàn)位置閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)特性的相頻特性在大于3 Hz后的頻段距離-180均較近，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，因此在保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的前提下，考慮采用串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，擬將系統(tǒng)帶寬設(shè)計(jì)在25 Hz左右，且將該點(diǎn)相頻特性向前校正30°，設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為

圖9 位置環(huán)波特

校正后的系統(tǒng)特性如圖中點(diǎn)劃線(xiàn)所示，穿越頻率約為29 Hz，相角裕度31°，系統(tǒng)穩(wěn)定。對(duì)比如圖10所示校正前后的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)可見(jiàn)，校正前系統(tǒng)阻尼過(guò)小，振蕩時(shí)間較長(zhǎng)；校正后系統(tǒng)雖仍有振蕩，但可以迅速穩(wěn)定，上升時(shí)間約為10 ms。

圖10 仿真模型階躍響應(yīng)曲

以1 ms為控制周期，對(duì)上述設(shè)計(jì)控制算法進(jìn)行離散化，并在TI TMS320F2812型DSP中編程實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際工程中考慮到靜摩擦等非線(xiàn)性因素的存在，為消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制器采用比例+積分控制，并串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)，試驗(yàn)所得較正前后的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，校正前系統(tǒng)穩(wěn)定性較差（由于靜摩擦力等非線(xiàn)性因素的存在，較正前的實(shí)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)比仿真模型好），校正后系統(tǒng)經(jīng)過(guò)1次振蕩便可穩(wěn)定，上升時(shí)間約為10 ms，與仿真模型的一致性較好，可保證位置環(huán)為25 Hz以上帶寬。

圖11 實(shí)測(cè)模型階躍響應(yīng)曲線(xiàn)

4 結(jié)論

以經(jīng)典控制理論的方法，分別對(duì)DDV的電流環(huán)和位置環(huán)開(kāi)展建模和控制參數(shù)的設(shè)計(jì)。電流環(huán)控制器采用比例-積分調(diào)節(jié)，并在FPGA中工程實(shí)現(xiàn)，獲得400 Hz以上帶寬，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。利用閥的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)辨識(shí)了閥的模型參數(shù)，采用超前校正改善了位置環(huán)控制的性能，并在基于TMS320F2812的DSP硬件平臺(tái)上開(kāi)展所設(shè)計(jì)控制算法的驗(yàn)證，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，獲得了25 Hz以上帶寬。

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Design and Verification of Direct Drive Valve Control System

ZHANG Yu,CHEN Ke,WANG Shao-yong,LI Hua-zhong,PENG Guo-hua,LUO Xing
（AECC Aero Engine Control System Institute,Wuxi Jiangsu 214063，China）

In order to improve the dynamic characteristic and stability margin of the direct drive valve system,a double-loop control system of Direct Driver Valve which include a position control loop and a current control loop was designed.The position control loop was designed into controller which composed a PI controller and a lead correction link,and the current loop controller was designed into a PI controller.A simulation work of the current loop was carried out in MATLAB,and so did the model identification and the simulation work of the position loop.A verification experiment was carried out in a DSP and FPGA based on experimental platform,both the current loop controller and the position loop controller can obtain similar performance with simulation.The current loop can obtain a wide bandwidth up to 400 Hz，and the position loop bandwidth can be up to 25 Hz.The results show that the design and the correction method can improve the dynamic characteristics and stability margin of the DDV system obviously.

Direct Drive Valve;lead correction;model identification;double loop control；aeroengine

V 233.7

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.007

2016-03-08 基金項(xiàng)目：國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

張宇（1990），男，碩士，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)研究工作：E-mail:yuzh_cpld@163.com。

張宇，陳珂，王少永，等.直驅(qū)閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（2）：36-40.ZHANG Yu,CHEN Ke,WANG Shaoyong,etal.Design and verification ofDirectDrive Valve controlsystem[J].Aeroengine，2017，43（2）：36-40.

（編輯：張寶玲）