基于模型跟隨自適應控制的電液位置伺服系統重構控制

摘 要：航空機電系統中電液位置伺服系統（EHPSS）組件故障易引發連鎖反應，對此，本文提出了一種基于模型跟隨自適應控制的重構控制器。首先，根據電液位置伺服系統的組成結構、工作原理以及典型組件故障機理，分別建立其標稱模型與故障模型；然后，結合模型跟隨理論與Lyapunov穩定性理論，設計了模型跟隨自適應重構控制器，該控制器不需要故障先驗信息，僅根據故障系統的狀態與參考模型狀態之間的廣義誤差，在線調整自適應控制器參數，使得當時間趨向無窮大時，廣義誤差信號逐漸收斂于零，不僅可以保證系統的穩定性，還具有自適應速度快的優點；最后，通過多種故障情況下的位移跟蹤試驗，驗證了該重構控制方法的重構控制能力和魯棒性。本文所提出的建模與控制方法對于機電系統重構控制的未來研究具有參考價值。

關鍵詞：電液位置伺服系統； 模型跟隨自適應控制； 組件故障； 重構控制； 故障建模

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.03.012

基金項目： 航空科學基金（201928052006）

作為典型的航空機電系統，電液位置伺服系統（EHPSS）已廣泛應用于大型飛機舵面控制，以及飛行模擬器控制等安全關鍵系統上[1]。EHPSS具有響應速度快、系統剛度高、力重比高、信號處理靈活且易于控制等特點[2]。隨著微電子、傳感檢測、新型航空材料以及飛行控制技術的蓬勃發展，航空工業對飛機性能的要求不斷提高，使得EHPSS所承擔的任務越來越重，精密復雜程度越來越高，分布于飛機各部位的EHPSS，包含大量的控制器、傳感器、執行器、連接器等組件協同工作，其性能、可靠性和使用壽命都受到組件的制約。在執行飛行任務過程中，EHPSS的組件不可避免地會存在故障隱患，輕則影響系統工作效率、增加能耗、影響機組人員舒適度等，重則引發連鎖反應，如在大型飛機操縱面的驅動中，EHPSS一旦發生故障，就會造成期望和實際運動之間出現差異[3]，這可能會導致災難性的后果。因此，需要提高EHPSS的可靠性，同時針對其突發故障進行容錯設計。

傳統方法是通過可靠性設計及余度技術來降低故障發生的概率[4-5]，然而，考慮到生產因素的約束，飛機組件冗余度有限，其可靠性很難提高；另一方面，可靠性僅說明了故障發生后系統仍能保持可接受性能的概率，高可靠性并不意味著不發生故障[6]。鑒于此，亟須提高EHPSS對組件故障的自主處理能力。

為了克服傳統反饋控制設計在面對組件故障時性能差且可能導致系統不穩定的缺點，研究者們通過設計能夠容忍潛在故障的控制系統，來提高可靠性和可用性，同時提供期望的性能。這種控制思想被稱為容錯控制[7]。重構控制技術作為容錯控制的一個熱門分支，目前已經被廣泛應用于安全關鍵控制系統設計[8-9]。模型跟隨自適應控制（MFAC）因其對未知的、突發的故障具有強大的自適應能力而受到重構控制研究者的關注。MFAC通過設置理想的參考模型，根據被控對象狀態與參考模型狀態之間的廣義誤差信號，實時調整控制律，使被控對象的狀態盡可能跟蹤參考模型的狀態，使得當時間趨于無窮大時，廣義誤差信號逐漸收斂于零[10]。Kim[11]設計了基于MFAC的重構飛行控制系統，使飛機可以在出現故障情況下擁有更強的生存能力。胡壽松[12]在MFAC框架上利用神經網絡補償故障引起的非線性因素影響。柴樹梁[13]針對大型民機操縱面故障問題，利用基于MFAC的重構控制方法保證了飛行品質。

基于上述分析，針對EHPSS組件故障易引發連鎖反應的問題，本文提出了一種基于MFAC的重構控制器。根據EHPSS的組成結構、工作原理以及典型組件故障機理，建立了其標稱模型和故障模型。利用模型跟隨理論與Lyapunov穩定性理論推導出了控制器中增益陣的更新律，并證明了所設計的閉環重構系統是漸近穩定的。通過多種故障情況下的位移跟蹤仿真，驗證了該重構控制方法的性能。

1 EHPSS數學建模

1.1 系統組成

EHPSS閉環結構如圖1所示，閉環的工作原理是利用控制器將期望輸出信號和傳感器測量信號的誤差轉化為可控電壓，經過放大器放大后轉化為輸出電流，以控制電液伺服閥的閥芯運動[14]。通過伺服閥輸出的壓力油推動液壓缸活塞桿移動，進而帶動工作臺的移動。

根據式（1）可以通過消除中間變量得到液壓缸狀態空間方程

情況1（執行器故障）：t<0.5s，無故障；0.5s≤t<1.5s，執行器20%LOE；1.5s≤t<2.5s，執行器50%LOE；t≥2.5s，執行器80%LOE。情況2（傳感器故障）：t<0.5s，無故障；0.5s≤t< 1.5s，位移傳感器漂移kDFT = 0.3；1.5s≤t<2.5s，位移傳感器漂移kDFT = 0.5；2.5s≤t<3.5s，位移傳感器漂移kDFT = 0.8；t≥3.5s，位移傳感器失效 kDFT = 0。情況3（抗擾測試）：t<0.5s，無故障；0.5s≤t<1.5s，執行器20%LOE混合外部擾動；1.5s≤t< 2.5s，執行器50%LOE混合外部擾動；t≥2.5s，執行器80%LOE混合外部擾動。

3.2 情況1仿真結果

組件故障情況1仿真結果如圖4所示，可以看出，面對執行器LOE故障，本文提出的MFAC重構控制方法魯棒性強，故障瞬間產生的位移差小，而且瞬態性能好，在故障發生后能夠相對快速地漸近跟蹤期望位移，使得EHPSS在執行器故障狀態下仍具有令人滿意的工作性能，大大提升了系統的安全性與任務可靠性。

3.3 情況2仿真結果

組件故障情況2無重構控制與加入MFAC后的仿真結果分別如圖6和圖7所示。面對位移傳感器恒增益漂移故障時，MFAC相比于基本控制器，性能有很大提升，在故障后能夠實現對期望位移的漸近跟蹤，可以有效地補償傳感器故障帶來的不利影響，并能很好地跟蹤參考輸入，提升了EHPSS的安全性與任務可靠性。但在位移傳感器失效的情況下，系統參數產生巨大跳變，MFAC無法平穩跟蹤期望位移，位移差較大并伴有大幅度振蕩，這在一些安全需求較高的應用中是不被接受的。

3.4 情況3仿真結果

圖9、圖10展示了故障-擾動情況3下MFAC重構控制性能仿真結果，與圖4對比可以看出，擾動使得重構控制的效果變差，重構控制的難度增加。試驗結果顯示，即使在面臨干擾時MFAC仍然能夠可靠地實現系統輸出追蹤期望值，并且瞬態誤差相對較小，表現出較強的魯棒性和抗擾性。與無干擾時相比，它的控制效果基本相當。總體而言，重構控制的效果是令人滿意的。

4 結束語

針對EHPSS組件故障易引發連鎖反應的問題，本文提出了一種基于MFAC的重構控制器。建立了EHPSS的標稱模型和故障模型。利用模型跟隨理論與Lyapunov穩定性理論推導出了控制器中增益陣的更新律，并證明了所設計的閉環重構系統是漸近穩定的。通過多種故障情況下的位移跟蹤仿真結果分析，可以得出結論：MFAC重構控制器滿足了在組件故障條件下EHPSS增加的安全性、穩定性與任務可靠性的要求。

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Model Following Adaptive Control Based on Reconfiguration Control for Electro-hydraulic Position Servo System

Wang Can1， Yang Zhong1， Zhang Zhao2， Liu Shuchang1， Chen Shuang3， Zhang Xiaokai3

1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China

2. Zhejiang University， Hangzhou 310058， China

3. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Elec-tromechanical System Integration， Nanjing 211106， China

Abstract： Aiming at the problem of chain reaction caused by component faults of electro-hydraulic position servo system， a reconfiguration controller based on model following adaptative control is proposed in this paper. According to the structure， working principles and typical component fault mechanisms of electro-hydraulic position servo system， its nominal model and fault model are established respectively. A model following adaptive reconfiguration controller is designed based on Lyapunov stability theory and model following theory. It does not need any advanced fault information， and only adjusts the parameters of the adaptive controller online according to the generalized error between the state of the fault system and the reference model， so that when the time tends to infinity， the generalized error signal gradually converges to zero. It can not only ensure the stability of the system， but also has the advantage of fast adaptive speed. The robustness and reconfiguration control capability of the method are verified by displacement tracking simulation under various fault cases.The modeling and control method proposed in this article has reference value for future research on recomfigurable control of electromechanical systems.

Key Words： electro-hydraulic position servo system； model following adaptative control； component faults； reconfiguration control； fault modeling