限制环境下智能材料驱动电静液作动器关键技术研究

Based on the research situation of smart material-based electro-hydrostatic actuator(SMEHA) at home and abroad, and aiming to the unique application environment and the high-performance actuator requirements on aerospace field in China, a novel SMEHA is systematically, deep analyzed and researched in this proposal, which includes electronics drive systems, sensing and control systems and hydrostatic transmission. Then, the basic theories and the matched technical system of SMEHA will be set up, focusing on basic theoretical issues solving the multi-field coupling to have influence on output parameters of SMEHA, building the design theories of function integrated actuator, and revealing the mechanism of SMEHA energy transfer and real-time control in complex and special circumstances. Finally, the theoretical system of SMEHA will be established, moreover, it will be breaked that a series of key technologies, such as the design technique for the lower power consumption, the active rotational one-way check valve technique to fluid rectification, the sensing and control technique for multivariable and the hysteresis nonlinear compensation for smart materials, and that, these research results could contribute to the more advanced technology of electro-hydraulic transformation and control for power-by-wire and aero-engine, a new type SMEHA prototype and corresponding test equipment are manufactured, and the technical level of high-performance actuator in china are enhanced as well.

本申请项目基于国内外智能材料驱动作动器发展研究现状，并针对我国航空航天领域对高性能作动器的技术需求及其特殊工作环境，提出主动式二维旋转阀芯频率整流电静液作动器新方案，深入系统地开展集智能材料电子驱动、电-机转换、机-液转换、频率整流与换向、状态感知与控制以及作动输出于一体的新型电静液作动器的基础研究。重点解决智能材料驱动电静液作动器的能量产生、传递、转换与作用规律、多场耦合对作动器输出参数作用机制与作动器多功能集成优化理论与性能调控等基础科学问题，建立智能材料驱动电静液作动器理论体系，突破电驱动低功耗设计、主动式旋转阀芯高频单向阀、作动器多变量感知控制、智能材料磁滞与机构运动耦合等关键技术，为研制面向功率电传与航空发动机高频电液转换与控制的新型高性能作动器提供基础支撑，研制出原理样机与测试试验装备，提升我国机载高性能作动器研制技术水平。

项目背景：电静液作动器广泛应用于现代分布式飞机舵面操纵、发动机变量控制等航空领域，区别于传统伺服阀控作动器，新型叠堆智能材料驱动电静液作动器具有结构显著简化、无节流控制、效率与可靠性高等优势。与此同时，该新原理作动器在多场耦合与能量转换规律、高频配流、双向伺服控制等方面的难题也对该作动器的发展提出了新的挑战。.主要研究内容：面向航空领域空间小、温度高等限制环境，以智能材料驱动电静液作动器多场耦合与能量转换规律为研究重点，着力于突破作动器电磁低功耗驱动、作动器传感与控制以及高频配流等关键技术，建立新原理智能材料驱动电静液作动器设计、优化、伺服控制与性能测试评价理论。.重要结果：（1）系统建立叠堆智能材料驱动被动阀配流电静液作动器完整理论模型，全面表征了作动器电-磁-机-液-热多场耦合作用效应与能量传递转换规律，描述作动器工作频率范围宽、精度高；（2）提出全新主动配流叠堆智能材料驱动电静液作动器，柱塞运动与流体配流独立调节、作动器结构与控制自由度大；（3）发展了轴径向分布双柱塞泵与作动器电子换向与电子调速新方法，国内外率先实现了智能材料驱动电静液作动器双向伺服控制，具有无节流、高效高精度等特点。.关键数据：（1）轴径向双柱塞驱动作动器最佳驱动频率范围为150～200Hz，最大无负载输出流量可达3.39L/min；（2）采用基于电子调相换向+电子调幅调速的位置控制策略，作动器阶跃响应时间约0.169s，稳态误差小于0.05mm，跟踪峰峰值6mm、频率1Hz正弦位移时误差均方根值0.0728mm。.科学意义：提出全新结构主动配流轴向与径向布局双柱塞独立驱动磁致伸缩电静液作动器，并可进一步扩展至新型多柱塞独立驱动泵与电静液作动器，打破传统多柱塞泵柱塞之间几何约束所致的运动耦合，从原理上拓展了多柱塞泵变量控制自由度；提出一种基于电子调幅调速与电子调相换向结合的作动器位置伺服控制新方法，扩大了该技术领域的研究空间，为高效率高精度作动器伺服控制提供了新技术选择。