飛機電液伺服作動系統建模及分析探究

何歡

（中航飛機股份有限公司，陜西 西安 710089）

伺服系統作為自動控制系統一類，控制被控對象的某種狀態使其能自動、連續、精確地復現輸入信號的變化規律。應用廣泛，主要包括各種速度控制、力控制、位置控制和運動軌跡控制。飛機舵面操縱常采用位置控制產生期望的力和力矩。本文探究作動系統為電液驅動位置伺服作動系統，采用電信號輸入、液壓動力輸出方式，接入動力源的功率輸入，根據飛控計算機的指令，按照規定的靜態/動態要求，實現對飛機氣動舵面的控制，為穩定和控制飛行器提供需要的力和力矩。

1 伺服作動系統的具體組成

伺服作動系統典型構成如圖1 所示，主要包含控制器和作動器兩部分。其中伺服閥作為電液轉換裝置，是作動器的核心機構。其原理在于接收電流指令，使擋板偏轉，節流面積差使液壓放大器橋路不平衡，在閥芯上產生驅動力。閥芯運動時，閥口開啟，產生輸出流量正比于閥芯位移，而反饋彈簧產生反饋力抵制輸入力，當反饋力等于輸入力，閥芯運動停止。

圖1 典型的作動系統

2 伺服作動系統建模

對作動系統進行建模，從物理原理的角度進行分析，依次以作動筒、作動桿為對象建立牛頓第二定律方程；對每個轉換、放大和反饋環節建立方程；建立流量連續方程。同時，考慮系統剛度對系統建模和建模方程產生的影響，依次建立忽略剛度雙作動系統、考慮剛度的單作動系統和考慮剛度的雙作動系統。

2.1 電液系統閉環方程

（1）系統輸入指令誤差。位移傳感器反饋電壓與輸入電壓進行比較，成為輸入指令誤差。其中為作動系統輸入電壓，為線位移傳感器反饋電壓，e 為作動系統伺服放大電壓。

（2）伺服放大環節。伺服放大環節作用在于將伺服放大電壓信號轉換為伺服閥所需電流信號。通過電流信號的變化，改變閥內磁鐵的位置進而改變流量。其中為伺服放大輸出電流，為伺服放大增益。

（3）滑閥流量方程。當伺服閥頻寬遠大于液壓固有頻率（5 ～10 倍）時，伺服閥可看作比例環節；當伺服閥頻寬大于液壓固有頻率（3 ～5 倍）時，可將電液伺服閥看作慣性環節。

（4）液壓缸流量連續性方程。由液壓缸特性，流入作動筒的流量用來推動活塞運動，補償內/外泄露流量和補償油液壓縮和腔體變形所需流量。

（5）位移傳感器反饋方程。位移傳感器用來測量作動筒和作動桿相對位移，并將差值以電壓信號形式進行反饋。其中為位移傳感器反饋系數。

2.2 忽略剛度的雙作動系統建模

2.3 考慮剛度的單作動系統建模

2.4 考慮剛度的雙作動系統建模

3 伺服作動系統分析

3.1 參數仿真

對上述方程進行拉氏變換，在Simulink 中搭建考慮剛度的雙作動系統模型框圖，如圖2。帶入一組舵機參數后，可得到仿真曲線結果。

圖2 考慮剛度的雙作動系統框圖

3.2 誤差分析

伺服作動系統穩態誤差由輸入信號、外擾負載力和內擾引起。由跟隨誤差計算可知，系統輸入階躍信號時跟隨誤差為0。負載誤差e 為：

4 結語

本文對飛機電液伺服作動系統進行動力學建模仿真和分析，不同的物理結構對應有不同的數學方程。在后續舵機設計和選型的過程中，結構剛度、作動器安裝方式和安裝位置對伺服作動的影響需要考慮在內。結構剛度過小將破壞系統穩定性，作動器位置會影響負載力的變化情況。為了減小系統穩態誤差以實現精確控制，有必要增大整個系統增益。仿真圖如圖3。

圖3 考慮剛度雙作動系統仿真圖