基于ADRC和模型預測控制的直驅伺服閥振蕩抑制研究

摘 要：直驅伺服閥因構造簡單、抗污染能力強、輸出功率大等突出優勢，逐漸擴展其應用場景。作為飛控系統的關鍵部件之一，電液伺服閥的特性與可靠性直接關乎飛行性能與安全。本文針對某型航空用雙系統直驅伺服閥存在的閥芯振蕩問題，探究基于方法的伺服閥振蕩抑制策略。建立了該直驅伺服閥系統的部件級數學模型，并與突變液流力模型聯合運算；設計了自抗擾控制器（ADRC）和模型預測的復合控制方法，并與傳統比例積分微分（PID）控制方法進行仿真對比。結果表明，ADRC和模型預測的復合控制方法對直線電機電流的高頻小范圍調節可有效抵消突變液流力對閥芯運動的影響，從而為直驅伺服閥在復雜受力環境下的控制器設計提供理論參考。

關鍵詞：雙系統直驅伺服閥； 自抗擾控制器； 模型預測控制； 閥芯振蕩； 突變液流力

中圖分類號：V249.1 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.02.011

基金項目： 航空科學基金（201907052001）

飛機飛行操控機構（如舵面、起落架和剎車）通常采用電液伺服系統，其性能對飛行控制、可靠性和安全性非常重要[1]。伺服閥具有精度高、響應快等優點，在飛機操控機構中作為主要控制元件廣泛應用[2-3]。近年來，直驅伺服閥由于其高抗污染能力和高可靠性成為主要研究熱點之一。直驅伺服閥直接由電機驅動，具有驅動力大、閥芯行程長、輸出功率大，及抗污染能力強等優點[4-6]。

國內外針對伺服閥故障及控制方法開展了大量研究。伺服閥故障主要表現為閥芯振蕩和嘯叫等，嚴重時可導致伺服系統性能惡化并帶來災難性后果。文獻[7]～文獻[9]以壓力伺服閥為研究對象，分析了伺服閥振蕩、嘯叫現象的特征與產生機理，并提出了調整擋板尺寸形狀參數等改變其阻尼的改進措施。文獻[10]～文獻[11]對平衡閥工作中的高頻振動進行了湍流模型下二維流體仿真與試驗研究，認為射流引起的壓力脈動是高頻振動的重要原因。同時，流場中的氣穴、自振和剪切層振蕩是閥類振動產生的主要原因。文獻[12]～文獻[14]認為射流流域內的剪切層振蕩是導致流體自激振蕩的原因，并以溢流閥為例分析了其自激振蕩的產生機理。同時，文獻[15]～文獻[18]對伺服閥前置級流動進行仿真，認為流場內渦流的變化直接影響能量損耗和流體噪聲。

控制方法方面，各類先進控制理論逐步被應用至閥類控制領域[19-20]。文獻[21]～文獻[22]分析了高頻響比例換向閥的各種非線性因素來源，提出了一種基于前饋補償的控制方法，該方法有效地提高了閥的頻響和位置控制精度。帶干擾補償的反饋非線性魯棒控制策略[23-25]也被提出，適用于具有匹配和不匹配廣義不確定性（如參數導數、外部干擾、建模誤差和/或未建模動態）的液壓系統，通過大量的試驗驗證了該控制策略能夠有效提高系統位置控制性能。同時，文獻[26]～文獻[28]通過引入輔助信號并結合期望軌跡前饋補償的概念，提出一種輸出反饋反步控制策略，控制策略中的魯棒延遲補償反饋可以補償閥門動態，擴展狀態觀測器用于估計系統不可測狀態和匹配不確定性。這種控制策略的優勢在于可以不增加系統模型的階數來逼近閥的動態，解決了反步法控制模型的“復雜性爆炸”問題。

綜上，伺服閥現有研究中針對閥芯振蕩問題，多進行流體流動機理與結構參數上的探究，主要思路是以改進結構為主要方法避免產生閥芯振蕩故障。但隨著控制理論的發展，各類新型控制方法可有效提升伺服閥動態性能，估計系統不可測狀態，通過設計高抗擾性、強預測性控制方法對閥芯位移進行主動控制變得可行。

本文針對飛控系統雙系統直驅伺服閥閥芯振蕩問題，建立直驅伺服閥部件模型及伺服系統模型，提出一種基于ADRC和模型預測的復合控制方法，該方法與傳統PID控制方法相比，可有效抑制伺服閥閥芯振蕩，為伺服閥控制器設計提供參考。

1 直驅伺服閥數學模型

1.1 直驅伺服閥結構原理

直驅式伺服閥由直線電機、拉桿、閥芯、閥套及位移傳感器等組成。閥芯為兩只四通閥連接為一體的結構，其通過拉桿與直線電機連接。電機驅動閥芯時帶動兩組閥口變化，從而實現雙液壓系統的同步調節。位移傳感器實時測量閥芯位移并反饋至閥控制器，以構成閥內閉環回路。閥套與閥口對應部位開有四處通油節流孔，與閥芯構成非全周開口以滿足最大開度內的節流邊可控。

1.2 直線電機模型

本文前期研究中，基于對雙系統直驅伺服閥回油腔數值模擬，研究得到伴隨氣穴規律性潰滅而產生的高頻壓力脈動導致閥腔內兩閥芯凸肩面所受流體合力不平衡，進而引發閥芯高頻振蕩。對數值模擬結果進行面積分后處理可得到各凸肩面受油液合力，提取其特征形成液流力模型，其曲線如圖2所示，將該液流力模型以負載形式代入直驅伺服閥閥芯運動學模型，可實現突變液流力環境下的直驅伺服閥響應探究。

3.2 仿真結果及分析

基于上述直驅伺服閥系統仿真模型探究控制方法，對閥芯振蕩抑制效果進行探究，輸入階躍指令，ADRC+MPC和PID控制方法響應曲線如圖3所示。

由圖3仿真結果可以發現，由于突變液流力對伺服閥閥芯的作用，作動器在控制指令輸入前，已不能保持穩態，在小范圍內抖振，響應曲線呈類正弦狀。階躍指令輸入后，兩種控制方法下的模型均較快爬升，響應初段，PID方法與ADRC+MPC方法并未產生較大差距，但由于閥芯所受阻力復雜，在上升后段，PID方法下模型響應速度明顯降低，并且抖振現象加劇，爬升曲線呈階梯狀。且隨著對控制指令的接近，抖振現象加劇，最終在穩態值附近恢復高頻抖振。當指令信號為正弦曲線時，PID方法下模型跟蹤指令效果明顯較差。圖4為兩種控制方法在階躍響應下的閥芯位移。

由圖4可更直觀地發現突變液流力對伺服閥閥芯的影響。PID方法下，控制器不能完全抵消突變液流力帶來的閥芯抖振，在響應過程中和接近穩態時，閥芯位移始終出現抖振現象，從而影響伺服系統中作動器位移。而ADRC+ MPC控制方法下，閥芯位移變化更為平緩，抖振現象也明顯削弱，且在接近穩態后，能保證閥芯位移在0附近，偏移量較PID方法有明顯改善。

圖5所示為直線電機各軸電流變化曲線對比，兩種控制方法下的直線電機電流曲線變化趨勢并無較大區別，但ADRC+MPC方法下電流值存在更多的小范圍調節，以抵消突變液流力對閥芯控制效果的影響。

圖6所示為增大突變液流力幅值和頻率后，兩種控制方法對階躍指令的響應效果對比。從圖6中曲線對比可發現，當突變液流力幅值頻率均增大后，PID方法下的模型響應效果明顯下降，響應速度減慢并且出現較大的穩態誤差，穩態下的抖振現象也明顯變強，而ADRC+MPC方法下的模型響應雖同時出現抖振現象，但強度較小，未對實際響應過程產生影響。

圖7所示為突變液流力與外部負載共同作用下的作動器響應曲線對比。于0.3s引入外部突變負載，PID方法下位移出現大幅振蕩且調節較慢，而ADRC+MPC方法下模型響應在位移突變后迅速調整回指令位移處。

4 結論

本文針對某型航空用雙系統直驅伺服閥閥芯振蕩問題，基于直線電機、伺服閥等部件數學原理搭建了該直驅伺服閥系統數學模型。結合前期研究中獲得的閥芯振蕩機理，建立突變液流力模型，并代入直驅伺服閥系統數學模型。設計了ADRC和主動預測控制的復合控制方法并與傳統PID控制方法開展對比仿真研究。主要結論如下：

（1）受突變液流力影響，直驅伺服閥閥芯始終屬于小范圍抖振運動，在對控制指令響應過程中，抖振現象會極大影響作動器響應速度和響應精度。

（2）相比于傳統PID方法，ADRC+MPC復合控制方法能有效控制伺服閥閥芯抖振，其通過高頻小范圍調節直線電機各軸電流，抵消突變液流力，使閥芯運動平緩，進而提升作動器的響應效果。

參考文獻

[1]陳元章. 電液伺服閥初始設計理念與應用[J]. 機床與液壓，2019，47（9）： 114-118. Chen Yuanzhang. The initial design concept and applications for the electrohydraulic servovalve[J]. Hydromechatronics En‐gineering， 2019， 47（9）： 114-118. （in Chinese）

[2]王軍政，趙江波，汪首坤. 電液伺服技術的發展與展望[J]. 液壓與氣動，2014（5）： 1-12. Wang Junzheng， Zhao Jiangbo， Wang Shoukun. The development and future trends of electro-hydraulic servo technology[J]. Chinese Hydraulics and Pneumatics， 2014（5）： 1-12.（in Chinese）

[3]褚淵博. 射流管伺服閥耐久性與可靠性研究[D]. 西安：西北工業大學，2017. Chu Yuanbo. Research on the durability and reliability of jet pipe servo valve[D]. Xi’an： Northwestern Polytechnical Uni‐versity， 2017.（in Chinese）

[4]涂福泉，石理，李圣偉，等. 直接驅動式電液伺服閥研究進展[J]. 流體機械，2022，50（6）： 61-70. Tu Fuquan， Shi Li， Li Shengwei， et al. Research progress of direct drive electro-hydraulic servo valve [J].Fluid Machinery， 2022， 50（6）： 61-70.（in Chinese）

[5]楊朝舒，何忠波，俞軍濤，等.液壓放大式超磁致伸縮直驅式伺服閥的設計與實驗[J].航空動力學報， 2015，30（7）： 1772-1783. Yang Chaoshu， He Zhongbo， Yu Juntao， et al. Design and experiment of hydraulic amplified direct valve based on giant magnetostrictive material[J]. Journal of Aerospace Power， 2015， 30（7）： 1772-1783.（in Chinese）

[6]程相，左哲清，王書銘，等.高集成直驅數字伺服閥技術研究[C]//第九屆全國流體傳動與控制學術會議， 2016：1-5. Cheng Xiang， Zuo Zheqing， Wang Shuming， et al. Research on highly integrated digital direct drive servo valve technology[C]//Proceedings of 9th FPTC， 2016：1-5. （in Chinese）

[7]Elsheikh M. A numerical and experimental investigation of flow induced noise in hydraulic counterbalance valves[M]. Florida： University of South Florida ProQuest Dissertations Publishing， 2015.

[8]Ziada S， Buhlmann E T， Bolleter U. Flow impingement as an excitation source in control valves[J]. Journal of Fluids and Structures， 1989， 3（5）： 529-549.

[9]Gao Dianrong， Qiao Haijun， Lu Xianghui. Finite element numerical simulation and PIV measurement of flow field inside metering-in spool valve[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2009， 22（1）： 102-108.

[10]Zhang Li， Luo Jing， Yuan Ruibo， et al. The CFD analysis of twin flapper-nozzle valve in pure water hydraulic[J]. Procedia Engineering， 2012， 31（1）： 220-227.

[11]Liu Xiumei， He Jie， Li Beibei， et al. Study on unsteady cavitation flow and pressure pulsation characteristics in the regulating valve[J]. Shock and Vibration， 2021， 2021（3）： 1-10.

[12]Qiu Chang， Jiang Chenghang， Zhang Han， et al. Pressure drop and cavitation analysis on sleeve regulating valve[J]. Processes， 2019， 7（11）： 829.

[13]Lindler J E， Anderson E H. Piezoelectric direct drive servo valve[J]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering， 2002， 4698： 488-496.

[14]張鶴然，歐陽小平，郭生榮，等. 基于回油液阻的壓力伺服閥嘯叫分析[J]. 浙江大學學報（工學版）， 2019，53（11）： 2085-2091. Zhang Heran， Ouyang Xiaoping， Guo Shengrong， et al.Analysis on whistle of pressure servo-valve based on oil-return resistance[J]. Journal of Zhejiang University（Engineering Science）， 2019， 53（11）： 2085-2091.（in Chinese）

[15]Porteiro J L F， Weber S T， Rahman M M. An experimental study of flow induced noise in counterbalance valves[C].Inter‐national Symposium on Fluid-Structure Interactions， Aeroelas‐ticity， Flow-Induced Vibration and Noise， 1997：557-562.

[16]Aung N Z， Li Songjing. A numerical study of cavitation phe‐nomenon in a flapper-nozzle pilot stage of an electrohydraulic servo-valve with an innovative flapper shape[J]. Energy Con‐version Management， 2014，77： 31-39.

[17]陸亮，夏飛燕，訚耀保，等. 小球式旋轉直驅壓力伺服閥動態特性分析優化[J]. 航空學報，2018， 39（10）： 266-275. Lu Liang， Xia Feiyan， Yin Yaobao， et al. Dynamic analysis and optimization of ball-type rotary direct drive pressure servo valve[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（10）： 266-275.（in Chinese）

[18]張晉，朱漢銀，姚靜，等. 某雙閥芯電液比例多路閥主閥進口節流流場及閥口壓降特性研究[J]. 中國機械工程，2017，28（10）： 1135-1143. Zhang Jin， Zhu Hanyin， Yao Jing， et al. Research on flow field and pressure drop characteristics of main valve inlet throttle of a dual spool electro-hydraulic proportional multi-way valve[J]. China Mechanical Engineering， 2017， 28（10）： 1135-1143. （in Chinese）

[19]王偉，趙哲.具有動態和輸入不確定性的航空發動機自抗擾控制[J].航空科學技術，2023，34（7）：36-42. Wang Wei， Zhao Zhe.Active disturbance rejection controll for aeroengine with dynamic and input uncertainty[J].Aeronautical Science Technology， 2023， 34（7）：36-42.（in Chinese）

[20]米涵芃，胡超芳，楊曉荷，等.彈性高超聲速飛行器可調TubeMPC容錯控制[J].航空科學技術，2022，33（8）：88-94. Mi Hanpeng， Hu Chaofang， Yang Xiaohe， et al. Fault-tolerant Tube-MPC control of flexible hypersonic vehicle under statedependent saturation[J]. Aeronautical Science Technology， 2022， 33（8）： 88-94.（in Chinese）

[21]Xu Zhangbao， Ma Dawei， Yao Jianyong， et al. Feedback nonlinear robust control for hydraulic system with disturbance compensation[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part I： Journal of Systems and Control Engineering， 2016， 230（9）： 978-987.

[22]Deng Wenxiang， Yao Jianyong， Wang Yaoyao， et al. Output feedback backstepping control of hydraulic actuators with valve dynamics compensation[J]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2021， 158： 107769.

[23]Qiu Hanyu， Su Qi. Simulation research of hydraulic stepper drive technology based on high speed on/off valves and minia‐ture plunger cylinders[J]. Micromachines， 2021， 12（4）： 438.

[24]高強，朱玉川，王睿，等. 高速開關閥控電液位置伺服系統自適應魯棒控制[J]. 航空動力學報，2019， 34（2）： 503-512. Gao Qiang， Zhu Yuchuan， Wang Rui， et al. Research on highly integrated digital direct drive servo valve technology [J]. Journal of Aerospace Power， 2019，34（2）： 503-512. （in Chinese）

[25]Xu Bing， Shen Jun， Liu Shihao， et al. Research and development of electro-hydraulic control valves oriented toindustry 4.0： A review[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2020， 33（2）： 5-24.

[26]Jiao Zongxia， Zhang Hao， Shang Yaoxing， et al. A power-bywire aircraft brake system based on high-speed on-off valves[J]. Aerospace Science and Technology， 2020， 106： 106177.

[27]Zeng Yishan， Wang Daoming， Zi Bin， et al. Dynamic characteristics of priority control system for high-speed on-off digital valve[J]. Advances in Mechanical Engineering， 2015， 7（4）： 1-8.

[28]鐘麒，楊華勇，張斌.面向負載口獨立控制的可編程閥關鍵技術研究[J].機械工程學報，2021，57（22）：200. Zhong Lin， Yang Huayong， Zhang Bin. Research on key technologies of programmable valve for independent metering control[J].Journal of Mechanical Engineing， 2021， 57（22）：200.（in Chinese）

Research on Spool Vibration Suppression of Direct Drive Servo Valve Based on ADRC and MPC

Ren Pengda1， Zhang Wei2， Xie Zhigang2， Wang bin1，3

1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China

2. AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute，Xi’an 710076， China

3. Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System， Nanjing 210016， China

Abstract： Direct drive servo valve gradually expands its application scenarios because of its advantages such as simple structure， strong antipollution ability and large output power. As one of the key components of flight control system， the characteristics and reliability of electro-hydraulic servo valve are directly related to flight performance and safety. In order to solve the problem of spool oscillation of a type of dual-system direct drive servo valve for aviation， a new control method for spool oscillation suppression is proposed in this paper.The component level mathematical model of the direct drive servo valve system is established， and the calculation is combined with the sudden fluid flow force model in the previous study. The composite control method of ADRC and active prediction is designed and compared with the traditional PID control method. The results show that the combined control method of ADRC and active prediction can effectively counteract the influence of sudden fluid flow force on the spool movement of linear motor current， and provide a theoretical reference for the controller design of direct drive servo valve under complex stress environment.

Key Words： dual-system direct drive servo valve； ADRC； MPC； spool oscillation； sudden fluid flow force