基于数字阀阵列的压力伺服控制研究

Aims at the problem of electro-hydraulic servo valve of braking system is sensitive to oil contamination, based on the trend of digital hydraulic, this proposal invent a pressure servo system via paralleled on-off valves. The proposed method using paralleled on off valve array to replace the pressure servo valve which is advance of robust to oil contamination, redundant, high dynamic performance, which will enhance braking reliability significantly. This project will research new high frequency response and small size on off valve. Based on the results of new on-off valve, the matching between the digital valve and the load and the coupling effect between connected valves. Establish the theory about pressure control digital valve design theory. This project also researches about the pressure control algorithm of digital valve. A two layer control architecture is studied in the present study. The base layer is the control of signal on-off valve which plan to use a nonlinear time delay forward compensation method. The top layer is the coordination control of paralleled valves. The artificial intelligence method is proposed to deal the complex control task after training. Finally, all the research results will be applied to anti-skip braking control of aircraft. The expected results of this proposal will offer an alternative solution for aircraft braking system and prepare the theory foundation and technology support.

针对飞机刹车系统中电液压力伺服阀容易被油液污染杂质污染导致故障的问题，基于数字液压的发展趋势，提出一种基于高频数字阀阵列的压力伺服控制方案，采用并联组合的开关阀阵列代替电液伺服阀，具有耐污染能力强、多冗余、动态特性好、抗干扰能力强等突出优点，可以大幅提高刹车系统的可靠性。该课题主要研究高频响小体积开关阀的创新原理、开关阀阵列中开关阀的流量、数量与负载的匹配机理、高频开关过程中的流场动态特征以及并联多通道开关阀之间的流场耦合等科学问题，重点突破开关阀单元的电磁设计与多目标优化、基于人工智能的数字阀阵列状态转换控制、多通道离散流体融合的高性能压力伺服控制策略以及基于开关阀阵列的防滑刹车控制策略等关键技术。本项目预期的成果将为飞机刹车系统的数字化提升提供理论基础和技术支撑。

本项目针对飞机刹车系统中传统喷嘴挡板先导型的电液压力伺服阀容易被油液污染杂质污染导致故障，引发飞机刹车事故的问题，基于离散数字液压技术原理，提出一种代替传统压力伺服阀的离散数字液压刹车阀新原理方案。完成了如下几个方面的研究：1）针对数字阀的核心基础元件，提出了一种三位三通共用动子双开关阀的新原理以及集成设计方案，开展了新型高速开关阀的电磁有限元仿真分析，完成了样机的研制，实现了体积小于15cm3，流量4L/min的高速开关阀；2）针对数字阀的驱动和控制，提出了基于双高速开关阀的一种新型驱动方法，利用对向激励电压提供对动子的拉力，辅助关闭，缩短开关阀关闭时间，关闭时间能够减少50%以上，做到启闭时间都小于2ms，达到了国际先进水平；3）针对不同飞机刹车系统负载特征的数字阀设计问题，完成了数字阀和负载匹配机理研究，分别针对小、中、大的典型飞机的刹车负载进行了数字阀匹配设计，明确了不同刹车需求的数字阀设计准则，并研究了不同开关阀构型下的容错控制策略和性能降级规律；4）针对数字阀的高速开关离散控制和刹车压力连续控制之间的矛盾，提出了一种基于开关阀非线性流量模型的精确开关时间预测控制方法，考虑开关阀开关过程的流量非线性，针对不同的飞机容腔，精确控制开关阀的启闭时间，使控制精度达到了接近伺服阀的水平。在此基础上，研究了离散数字刹车阀的防滑刹车控制策略，引入Filippov框架的自适应控制策略，实现了非连续控制阀的高效防滑刹车，刹车效率超过了90%，可以满足飞机刹车的高标准要求。.本项目的研究成果能够为离散数字液压的推广和应用提供相关的理论基础。其中新型高速开关阀的设计方法可以为微型高速开关阀设计提供基础，基于离散数字元件的压力控制可以作为离散数字液压系统的控制内环，为速度、位置外环控制提供基础，支持离散数字液压的控制精度提升，基于离散数字阀的自适应防滑刹车控制算法，可以实现高效防滑刹车，为成果在飞机刹车领域的推广应用提供支撑。