直驅閥控制系統設計及驗證

張 宇，陳 珂，王少永，李華忠，彭國華，羅 星

直驅閥控制系統設計及驗證

張 宇，陳 珂，王少永，李華忠，彭國華，羅 星

（中國航發(fā)控制系統研究所，江蘇無錫 214063）

為提高直驅閥系統的動態(tài)特性和穩(wěn)定性，設計了1種位置環(huán)加電流環(huán)的直驅閥雙閉環(huán)控制系統，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平臺上，開展了電流環(huán)仿真、位置環(huán)的參數辨識以及仿真；在由D SP和FPG A構成的驗證平臺上，開展了試驗驗證，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。研究結果表明：此控制器設計及校正方法可有效提高直驅閥系統的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。

直驅閥；超前校正；模型識別；雙閉環(huán)控制；航空發(fā)動機

0 引言

在航空發(fā)動機數字控制系統中，傳統電液伺服閥作為主要的電液轉換元件被廣泛應用于油針、導葉、矢量噴管等伺服回路的控制。然而，由于傳統電液伺服閥存在一些致命缺陷（結構復雜、抗污染能力差等[1]），其故障已經成為發(fā)動機數字控制系統最主要故障來源之一。直驅閥（Direct Drive Valve，DDV）的出現則從根本上解決了這些問題。較之傳統電液伺服閥，直驅閥利用力（矩）馬達直接驅動主閥芯，沒有尺寸精密的噴嘴擋板及射流嘴等易堵塞的結構，抗污染能力強、可靠性高，是伺服閥的主要發(fā)展趨勢[2-5]。

國外早在20世紀80年代就已經開始將DDV應用于各種主戰(zhàn)飛機的飛控系統中[6]。國內DDV的研究起步較晚，文獻[7]成功將DDV應用于飛機的剎車系統中；文獻[8-9]將DDV應用于飛機的飛控系統中，獲得較好的控制效果；文獻[10]基于H橋和可編程器件開展了直驅閥驅動器的硬件設計及控制邏輯設計；北航蔚永強等就直驅閥系統的余度控制策略開展了詳細建模和仿真，有效克服余度降級帶來的系統性能下降，改善了系統的品質[11]；王大彧等又將模糊PID控制應用于音圈電機的控制，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展建模，并設計了基于摩擦力補償的自適應補償器，改善了DDV的性能[13]。

在航空發(fā)動機控制及有著高安全需求的應用場合，控制系統的設計需均衡考慮系統復雜度、性能、壽命等指標。本文設計了1個基于位置環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)控制系統，并利用經典控制的理論和方法，設計電流環(huán)的控制參數，獲得了滿意的控制效果；利用階躍響應辨識了位置環(huán)的模型參數，將超前校正應用于DDV的位置閉環(huán)控制中，改善了位置環(huán)的動態(tài)特性。

1 DDV控制系統組成

DDV閉環(huán)控制的目的是使得DDV的閥芯位置可以實時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)串級控制[14-15]。增加速度內環(huán)可以明顯改善位置控制的動態(tài)特性和穩(wěn)定性，但受到傳感器的限制，在實際工程中難以獲得有效的DDV閥芯速度信號，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，Ic為電流指令信號，U為斬波器輸出的平均電壓，Io為閥實際電流值，Po為閥的實際位置值。位置環(huán)通過對位置指令與位置反饋之間的誤差計算獲得電流環(huán)的指令信號，電流環(huán)則通過對電流指令與電流反饋之間的誤差計算獲得占空比控制信號，電流環(huán)的存在既可以有效抑制母線電壓波動對位置控制的影響；又可以防止DDV過流，從而保證DDV的安全。

圖1 DDV控制系統組成

2 電流環(huán)控制器設計及驗證

DDV力矩馬達的繞組可視為電感和電阻的串聯模型，繞組電流I（s）與驅動電壓U（s）之間的關系為

電流環(huán)若采用純比例控制，則電流環(huán)為I型控制系統。階躍響應無超調，但存在穩(wěn)態(tài)誤差，理論上通過增大開環(huán)增益可將誤差控制在可接收的范圍內，但在具體工程實現時，由于電流采樣環(huán)節(jié)不可避免地會給系統引入高頻干擾信號，過分增加開環(huán)增益極易造成系統振蕩，因此，電流環(huán)采用比例-積分控制更為合適。在保證系統穩(wěn)定的前提下，盡可能增加比例增益，以使得系統具有較高的動態(tài)響應能力，通過適當的積分補償使得系統階躍響應無穩(wěn)態(tài)誤差，為防止退飽和時間過長，積分環(huán)節(jié)也需增加適當的積分限幅。

對電流環(huán)建模如圖2所示，開環(huán)波特如圖3所示。從圖中可見，穿越頻率約為423 Hz，相角裕度約為83.3°，系統處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 電流環(huán)閉環(huán)模型

圖3 電流環(huán)開環(huán)波特

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

圖4 電流環(huán)仿真模型跟蹤控制

鑒于DDV線圈的電阻為4.5Ω，電感為3 mH，即電氣時間常數為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在DDV線圈回路中，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放大，放大后的信號輸入至高速串行AD中采集。鑒于電流環(huán)運算頻率較高，為降低CPU的工作負荷，電流環(huán)的采集、計算任務由FPGA（A3P1000）實現。在每個控制周期（68 μs）內，FPGA完成 AD采集、偏差計算、積分和累加（積分限幅）、比例項乘法計算、積分項乘法計算以及占空比輸出等任務，為降低FPGA的資源利用率，比例項乘法運算和積分項乘法運算通過時分復用的形式共用1個乘法器。實測電路對100、400 Hz電流指令的跟蹤效果如圖5所示。從圖中可見，實測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 實測電流環(huán)跟蹤控制

3 位置控制器設計及驗證

3.1 位置環(huán)模型識別

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

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

對其進行拉普拉斯變換可得閥芯位移與線圈電流之間的傳遞函數關系為

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LVDT傳感器輸出的差和比信號（bit值表示，為差和比數值乘4096），對實際DDV施加1 A電流階躍信號，位置環(huán)階躍響應曲線如圖8所示。其輸出信號波形為實線所示，通過調整仿真模型中K1、K2的系數，對比仿真模型輸出和實測輸出的區(qū)別，多次擬合后可得當K1=1.5×10-7、K2=3.3×10-7時，仿真模型與實測模型的階躍響應波形較為接近，如圖中虛線所示。因此可將閥的傳遞函數近似為

圖8 位置環(huán)階躍響應曲線

3.2 位置環(huán)控制器設計

位置環(huán)波特如圖9所示。虛線為閥的開環(huán)特性曲線。選取適當的開環(huán)增益，使得位置閉環(huán)的開環(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）。實線為系統開環(huán)特性曲線?？梢娢恢瞄]環(huán)系統的開環(huán)特性的相頻特性在大于3 Hz后的頻段距離-180均較近，系統的穩(wěn)定性較差，因此在保證系統動態(tài)特性的前提下，考慮采用串聯超前校正環(huán)節(jié)以提高系統的穩(wěn)定裕度，擬將系統帶寬設計在25 Hz左右，且將該點相頻特性向前校正30°，設計校正環(huán)節(jié)傳遞函數為

圖9 位置環(huán)波特

校正后的系統特性如圖中點劃線所示，穿越頻率約為29 Hz，相角裕度31°，系統穩(wěn)定。對比如圖10所示校正前后的階躍響應曲線可見，校正前系統阻尼過小，振蕩時間較長；校正后系統雖仍有振蕩，但可以迅速穩(wěn)定，上升時間約為10 ms。

圖10 仿真模型階躍響應曲

以1 ms為控制周期，對上述設計控制算法進行離散化，并在TI TMS320F2812型DSP中編程實現，在實際工程中考慮到靜摩擦等非線性因素的存在，為消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制器采用比例+積分控制，并串聯超前校正環(huán)節(jié)，試驗所得較正前后的階躍響應曲線如圖11所示。從圖中可見，校正前系統穩(wěn)定性較差（由于靜摩擦力等非線性因素的存在，較正前的實測系統響應比仿真模型好），校正后系統經過1次振蕩便可穩(wěn)定，上升時間約為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 實測模型階躍響應曲線

4 結論

以經典控制理論的方法，分別對DDV的電流環(huán)和位置環(huán)開展建模和控制參數的設計。電流環(huán)控制器采用比例-積分調節(jié)，并在FPGA中工程實現，獲得400 Hz以上帶寬，實測結果與仿真結果一致。利用閥的階躍響應曲線辨識了閥的模型參數，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硬件平臺上開展所設計控制算法的驗證，實測結果與仿真結果一致，獲得了25 Hz以上帶寬。

[1]郭宏,蔚永強,邢偉.三余度直接驅動閥驅動控制系統[J].北京航空航天大學學報,2007,33（11）:1286-1290.GUO Hong,YU Yongqiang,XING Wei.Triplex-redundancy control system for Direct Drive Valve [J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2007,33（11）:1286-1290.（in Chinese）

[2]王大彧,郭宏.基于擴張狀態(tài)觀測器的直驅閥用音圈電機控制系統[J].中國電機工程學報,2011,31（9）:88-93.WANG Dayu,GUO Hong.An extended state observer based control system of voice coil motor used in Direct Drive Valve [J].Proceedings of the CSEE,2011,31（9）:88-93.（in Chinese）

[3]方群,黃增.電液伺服閥的發(fā)展歷史、研究現狀及發(fā)展趨勢[J].機床與液壓,2007,35（11）:162-165.FANG Qun,HUANG Zeng.Developing process research actuality and trend of electro-hydraulic servo valve[J].Machine Tool&Hydraulics,2007,35（11）:162-165.（in Chinese）

[4]肖俊東,王占林,陳克昌.新型高性能直接驅動電液伺服閥[J].機械科學與技術,2005,24（12）:1423-1425.XIAO Jundong,WANG Zhanlin,CHEN Kechang．A new type high performance direct-drive electrohydraulic servo valve [J].Mechanical Science and Technology,2005,24（12）:1423-1425.（in Chinese）

[5]李磊,趙升噸,范淑琴.電磁直驅式大規(guī)格電液伺服閥的研究現狀和發(fā)展趨勢[J].重型機械,2012（3）:17-24.LI Lei,ZHAO Shengdun,FAN Shuqin.Research status and development trend of large gauge electromagnetic direct drive electro-hydraulic servo-valve[J].Heavy Machinery,2012（3）:17-24.（in Chinese）

[6]謝奕勝,李小民,韓志華.基于雙級式DDV作動器的伺服控制系統設計[J].電力電子技術,2011,45（9）:29-31.XIE Yisheng,LI Xiaomin,HAN Zhihua.The design of servo control system for dual-stage DDV actuator[J].Power Electronics,2011,45（9）:29-31.

[7]劉勁松,周世民,何學工,等.飛機剎車系統應用直接驅動伺服閥（DDV）的研究[J].航空精密制造技術,2013,49（2）:48-51.LIU Jinsong,ZHOU Shimin,HE Xuegong,et al.Research on aircraft braking system by using direct drive servo valve[J].Aviation Precision Manufacturing Technology,2013,49（2）:48-51.（in Chinese）

[8]韓志華,李小民,夏立群.基于DSP的直接驅動閥式作動器控制技術研究[J].系統仿真學報,2009,20:277-280.HAN Zhihua,LI Xiaomin,XIA Liqun.The research of DDV actuator control technology based on DSP system[J],Journal of System Simulation,2009,20:277-280.（in Chinese）

[9]夏立群,張新國.直接驅動閥式伺服作動器研究 [J].西北工業(yè)大學學報,2006,24（3）:308-312.XIA Liqun,ZHANG Xinguo.Development of DDV（Direct Drive Valve）servo actuator[J].Journal of Northwestern Polytechnical University,2006,24（3）:308-312.（in Chinese）

[10]王大彧,郭宏,于凱平,等.基于FPGA的直接驅動閥用音圈電機功率驅動器[J].北京航空航天大學學報,2010,36（8）:954-956.WANG Dayu,GUO Hong,YU Kaiping,et al.FPGA-based power drive device for voice coil motor used in Direct Drive Valve[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2010,36（8）:954-956.（in Chinese）

[11]蔚永強,郭宏,謝占明.冗余直接驅動閥系統的余度控制策略[J].北京航空航天大學學報,2008,34（8）:869-872.YU Yongqiang,GUO Hong,XIE Zhanming.Redundancy control of Direct-Drive-Valve servo system [J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2008,34（8）:869-872.（in Chinese）

[12]王大彧,郭宏,劉治,等.直驅閥用音圈電機的模糊非線性PID控制[J].電工技術學報,2011,26（3）:52-56.WANG Dayu,GUO Hong,LIU Zhi,et al.A fuzzy nonlinear PID control of voice coil motor used in Direct Drive Valve[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26（3）:52-56.（in Chinese）

[13]夏立群,牛世勇.直接驅動閥的閥芯摩擦力自適應補償研究[J].系統仿真學報,2008,20（12）:3327-3335.XIA Liqun,NIU Shiyong.Research of adaptive friction compensation for Direct Drive Valve [J].Journal of System Simulation,2008,20（12）:3327-3335.（in Chinese）

[14]黃智,郭宏,王大彧,等.無刷直流力矩電動機雙閉環(huán)控制策略仿真分析[J].北京航空航天大學學報.2011,37（1）:72-75.HUANG Zhi,GUO Hong,WANG Dayu,et al.Smiulation and analysis of brushless DC motor double closed-loop control strategy[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2011,37（1）:72-75.（in Chinese）

[15]肖然,周明,郝守剛.有限轉角直流力矩電機位置伺服驅動器設計[J].微電機,2008,41（1）:37-42.XIAO Ran,ZHOU Ming,HAO Shougang.Design of position servo driver for DC limited angle torque motor[J].Micromotors Servo Technique,2008,41（1）:37-42.（in Chinese）

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 基金項目：國家重大基礎研究項目資助

張宇（1990），男，碩士，從事航空發(fā)動機伺服控制技術研究工作：E-mail:yuzh_cpld@163.com。

張宇，陳珂，王少永，等.直驅閥控制系統設計及驗證[J].航空發(fā)動機，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）