新型螺旋先导伺服阀及其余度型原理与应用基础研究

高频响、大流量伺服阀是很多关键大型液压机电设备的关键元件，如液压转台等大型仿真平台等。目前大多依赖于进口，而且进口受参数水平和用途的限制，严重制约了国防与民用工业的发展。本申请提出一种基于新型螺旋先导结构的伺服阀以及针对航空应用的高可靠余度型伺服阀。螺旋先导结构相比常用的喷嘴挡板结构，具有驱动能力大、结构简单、可靠性高、先导泄漏小等优点。采用该先导结构的两级伺服阀可以达到三级喷嘴挡板伺服阀的流量等级，能够简化结构、提高可靠性，降低成本等。螺旋先导结构更容易实现余度结构，可以应用于对可靠性和动态特性要求更高的新一代飞机的冗余伺服作动器控制，通过该项目的研究，能够进一步提升我国液压元件的研制水平。该新型的伺服阀存在一系列基础理论和技术难题有待研究，本研究主要解决：螺旋先导伺服阀参数匹配与设计准则、高频响驱动元件设计与优化、高频响高精度的非线性控制等难题、余度螺旋先导伺服阀设计与容错控制。

经过三年的研究，本项目围绕新型螺旋先导电液伺服阀的工作原理、结构设计优化、多余度构型设计、最优控制等方面展开研究。深入研究了新型螺旋先导结构的关键结构参数与性能的映射关系、螺旋先导伺服阀一体化结构设计以及驱动元件设计与优化、螺旋先导伺服阀建模、控制系统设计与最优控制问题、冗余螺旋先导伺服阀余度配置、结构设计与冗余容错控制问题以及基于螺旋先导原理的数字型工程机械独立负载多路阀等方面展开研究，进而总结一般规律，相关研究结论对于液压先导型电液伺服阀具有普适性，可以为先导电液伺服阀的研究提供基础。.基于螺旋先导伺服阀的原理，分析了设计参数与特性之间的映射关系，通过理论分析与建模仿真得到了螺旋先导结构关键设计参数与特性之间的映射关系，进而提出了螺旋先导伺服阀的性能最优设计准则。考虑电液伺服阀最主要的性能特征：动态特性、稳态特性和先导泄露流量，提出了一种多目标优化函数和智能优化方法，基于联合仿真模型，通过PSO优化方法，可以根据优化目标函数中的权值函数，自动优化设计参数，为螺旋先导伺服的设计以及类似的液压先导型伺服阀设计提供优化方法。.提出了一种螺旋先导伺服阀一体化结构设计方法，具有结构紧凑、加工简单、可靠高等优点，针对螺旋先导伺服阀的驱动特点，设计了一种新型的小角度摆动型旋转音圈电机，通过采用Halbach永磁阵列和新型绕组方法，提高了旋转音圈电机在需要转角范围内的动态特性。建立了摆动音圈电机的电磁模型，通过PSO智能优化算法实现了新型音圈电机的性能优化。.针对螺旋先导的控制，对螺旋先导伺服阀进行了高精度建模研究、分析了其非线性特性，提出了一种具备工程实用价值的双层智能优化控制方法，能够自动优化控制参数，根据系统状态变化在线调整控制参数，保证控制特性。并设计了双CPU智能控制器，用于螺旋先导伺服阀的智能控制。.针对航空航天高可靠的应用需求，结合螺旋先导伺服阀不易堵塞、可靠性高的优点，设计了一种多余度的螺旋先导伺服阀，对其冗余配置、结构设计和容错控制问题进行了研究，已经完成了设计工作，正在加工，后续将进行实验验证。.针对工程机械多路阀应用需求，设计了一种简化螺旋先导结构，降低了加工难度，设计独立负载比例多路阀系统，并基于该结构设计了独立负载多路阀结构，研究了独立负载四象限控制方法，提高驱动效率，通过数字控制方法和模式的调整，可以满足不同工况的需求，为工程机械智能驱动提供了基础。