机载功率电传作动器的原理研究.pdf

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1、中文摘要与中文关键词 机载功率电传作动器的原理研究 摘要 乙 机 载 作 动 系 统 是 实 现 飞 机 飞 行 姿 态 、 口 飞 行 轨 迹 控 、 。 的 关 键 飞 行 控 ， 。 子 系 统 之 一，其性能的优劣直接影响飞机的飞行品质，因此近年来对机载作动系统的研制倍 受重视。随着未来飞机朝着大功率、高机动性、超高音速和强生存力方向发展，以 及飞行环境的严重恶化，对机载作动系统又提出了新的和更高的要求，以至使机载 作动系统成为制约新型飞机研制的主要因素之一，因而研究开发适应高性能飞机发 展需要的新型机载作动系统势在必行。 就其控制机理来说，机载作动系统是根据给定的控制信号进行相应的功

2、率转换 与输出，即以 “ 信号流”控制 “ 功率流”。因此，机载作动系统的控制信号传输方 式和功率转换传输方式将是影响系统性能的重要因素，已成为机载作动系统研究所 关注的焦点问题。本文正是以这一热点问题为中心，对机载作动系统的整体控制方 案 展 开 了 细 致 的 原 理 研 究 、 系 统 的 理 论 分 析 和 必 要 的 实 验 研 究 。 厂 本文首先综述了机载作动系统的发展历程，对目前国外正在研制或验证中的三 种典型功率电传式，即 P B W ( P o w e r - b y - W i r e )飞机机载作动系统进行重点分析，针 对各方案应用的局限性，并根据目 前的科技发展水平

3、( 尤其针对国内现状)，提出 了两种新型的机载作动系统控制方案:具有功率电 传、 信号光传，即 F B L ( F l y - b y - L i g h t )的电 机一泵复合控制机载作动系统;及电 机一泵一阀复合控制机载作 动系统。上述方案较好地解决了传统作动系统的效率与快速响应能力之间的矛盾， 可提高作战飞机的可靠性、安全性、可维护性和作战生存能力，并具有很强的抗电 磁干扰能力 随后，本 文 以 两 ” 新 ” “ “ 作 动 系 统 “ 研 “ 对 象 展 开 系 统 的 “ 论 研 “ 作 先 “ 北京航空航天大学博士后研究报告 立了该系统实验装置的数学模型，以实验系统参数代入模型进

4、行大量的数值仿真， 仿真结果表明，所提出的两种新型机载作动系统的原理可行性。然后针对该系统存 在强非线性 ( 相乘非线性)、抗外部干扰能力差等特点，对电机一泵组与阀并联的 复合方式进行了重点研究，讨论相应的控制算法，提出以含有棒棒控制的滑动模态 变结构控制与准增益调度控制 ( 电机转速非对称调节)相结合的控制方式，实现对 含有相乘非线性的电机一泵一阀复合式作动系统的非线性控制，使系统的动态响应 特 性 和 对 外 部 干 扰 的 鲁 W it 得 以 综 合 提 高 。 少 l 本文在实验研究方面做了大量的工作，实现了微机控制的电机一泵一阀复合调 节的作动系统实验装置，编制相应的软件集成环境，

5、并在计算机与伺服变量泵 ( 阀)之间实现了控制信号的光传，即以准数字方式 ( 频率方式)传递光信号的方 案，克服了由电/ 光、光/ 电转换和传输所导致的非线性及信号衰减问题，为光传操 纵系统的进一步研究做技术准备。而后做了 相应的系统实验，对理论分析和控制算 法进行必要的验证。 乙 最 后 得 出 结 论 ， 本 文 所 提 出 的 两 种 新 型 机 载 作 动 系 统 原 理 正 确 、 方 案 可 行 ， 并 具 有 良 好 的 综 合 ，ft 5 G ， 对 我 国 下 一 f fv 战 飞 机 机 载 作 动 系 统 的 设 计 有 ， 旨 导 意 义 。) 丫 关键词机载作动系统功

6、率电传信号光传非线性控制 英文摘要与英文关键词 F u n d a me n t a l R e s e a r c h o n P o w e r - B y - Wi r e A i r c r a ft A c t u a t i o n S y s t e m s Ab s t r a c t A n a i r c r a ft a c t u a t i o n s y s t e m i s o n e o f t h e k e y s u b s y s t e m s o f fl ig h t c o n t r o l w h i c h c o n t r o l t

7、 h e fl ig h t a t t i t u d e a n d fl ig h t p a t h . I t s p e r f o r m a n c e d i r e c t ly a ff e c t s t h e a ir c r a ft fl y i n g q u a l it y . T h e r e f o r e , m o r e e f f o r t s a r e p a i d t o t h e d e v e l o p m e n t s o f a ir b o r n e a c t u a t i o n s y s t e m s

8、r e c e n t ly . Wit h t h e d e v e l o p m e n t o f f u t u r e a i r c r a ft t o w a r d s t o h i g h - p o w e r , h ig h m a n e u v e r a b i l it y , s u p e r s o n i c a n d h ig h s u r v iv a l p r o b a b il i t y a ft e r fi g h t - d a m a g e , a l s o w it h s e r i o u s d e t e

9、r i o r a t i o n o f fl y in g e n v ir o n m e n t s , s o m e n e w a n d s t r i c t e r r e q u i r e m e n t s a r e r a i s e d f o r t h e a ir b o r n e a c t u a t io n s y s t e m s , a n d t h e a i r b o r n e a c t u a t i o n s y s t e m s b e c o m e o n e o f t h e p r i m a ry f a

10、c t o r s l im it in g t h e d e v e l o p m e n t o f n e w a i r c r a ft . C o n s e q u e n t ly , it i s n e c e s s a ry t o d e v e l o p a ir b o r n e a c t u a t i o n s y s t e m s w i t h h i g h p e r f o r m a n c e I n t h e i r c o n t r o l m e c h a n i s m , t h e a c t u a t io n

11、 s y s t e m s m a k e r e l a t i v e c o n v e r s i o n o f p o w e r a c c o r d i n g t o g iv e n c o n t r o l s i g n a l s , t h a t i s u s in g “ s ig n a l fl o w “ t o c o n t r o l “ p o w e r fl o w “ . S o t h e w a y s a n d m e a n s o f t h e i r t r a n s m i s s io n a n d c o n

12、 v e r s i o n a r e p r i m a r y f a c t o r s a ff e c t in g t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e , a n d b e c o m e t h e f o c u s i n r e s e a r c h i n g a c t u a t i o n s y s t e m s . T h i s t h e s i s e x a c t ly c e n t e r o n t h is f o c u s , a n d m e t i c u lo u s f u n

13、d a m e n t a l r e s e a r c h e s , s y s t e m a t i c t h e o r e t i c a l a n a l y s i s s y s t e ms - Ag a t fi r s t a n d n e c e s s a ry e x p e r i m e n t s a r e m a d e f o r t h e e n t i r e c o n t r o l s c h e m e o f a c t u a t i o n e n e r a l s u rve y o n t h e d e v e l

14、o p m e n t s a n d s t a t u s o f a i r b o r n e a c t u a t i o n i s ma d e T h r e e k i n d s o f t y p i c a l P o w e r - B y - Wi r e a c t u a t i o n s y s t e m s , s y s t e ms c u r r e n t l yu n d e r d e v e l o p in g a n d c e rt ifi c a t i o n a b r o a d , a r e a n a ly z e d

15、 s p e c i a l ly . C o n s i d e r i n g t h e li m i t a t i o n s o f v a r io u s e x i s t in g s c h e m e s a n d t h e c u r r e n t s t a t u s o f s c i e n c e a n d t e c h n o lo g y , e s p e c i a lly i n o u r c o u n t ry , t w o n e w ty p e s o f a i r c r a ft a c t u a t i o n s

16、 y s t e m c o n t r o l s c h e m e s a r e p r o p o s e d w h ic h a r e e le c t r o m o t o r - p u m p a n d e l e c t r o m o t o r - p u m p - v a lv e c o m p o u n d c o n 里 r o l w i t h P B W a n d F B L T h e s c h e m e s m e n t i o n e d a b o v e c a n m a k e a b e t t e r b a l a

17、n c e b e t w e e n t h e e f f i c i e n t a n d d y n a m i c 月i 北京航空航天大学博士后研究报告 r e s p o n s e c h a r a c t e r is t i c s o f a c t u a t i o n s y s t e m s , a n d m a k e t h e a c t u a t i o n s y s t e m s i m p r o v e d i n r e l ia b il it y , s a f e t y , m a i n t a i n a b i l it

18、y , f i g h t i n g v i a b i l it y a n d c a p a b i l it y t o o p e r a t e in a h ig h e le c t r o m a g n e t i c e n v ir o n m e n t . S e c o n d ly , t a k i n g t w o t y p e s o f a c t u a t io n s y s t e m s p r o p o s e d a b o v e a s t h e o b j e c t s o f s t u d y , t h e s y

19、s t e m m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n a r e m a d e . T h e r e s u lt s o b t a i n e d s h o w t h a t t h e s e t w o t y p e s o f a c t u a t i o n s y s t e m s a r e f e a s i b l e . A n d t h e n t h e a c t u a t i o n s y s t e m , w it h t h e p a r a ll e l c o n n e c t io

20、n b e t w e e n t h e e l e c t r o m o t o r - p u m p a n d t h e v a l v e , i s a n a l y z e d s p e c ia l ly f o r it s h a r d n o n - li n e a r it y a n d l o w e r r o b u s t n e s s , a n d t h e r e la t e d c o n t r o l a l g o r it h m i s d i s c u s s e d . A s t h e r e s u l t ,

21、 a c o m b i n e d c o n t r o l s t r a t e g y i s p r o p o s e d , w h i c h c o m b in e s t h e v a r ia b l e s t r u c t u r e s l id i n g c o n t r o l i n v o l v i n g b ang - b a n g c o n t r o l w i t h q u a s i - g a in s c h e d u li n g c o n t r o l . T h e n o n - li n e a r c o

22、 n t r o l f o r t h e e l e c t r o m o t o r - p u m p - v a lv e c o m p o u n d a c t u a t i o n s y s t e m s w it h m u l t i p l i c a t i o n n o n - li n e a r it y i s r e al iz e d , w h i c h m a k e b e t t e r b a l a n c e b e t w e e n d y n a m ic s r e s p o n s e c h a r a c t e

23、r i s t i c and r o b u s t n e s s t o e x t e r n a l in t e r f e r e n c e o f a c t u a t i o n s y s t e m s A l s o a l o t o f e x p e r i m e n t a l w o r k s a r e d o n e , s u c h a s r e a li z in g t h e e x p e r i m e n t al s y s t e m s w i t h c o m p u t e r c o n t r o l t o t

24、h e e l e c t r o m o t o r - p u m p c o m p o u n d c o n t r o l a c t u a t i o n s y s t e m , d e v e l o p i n g r e l a t iv e s o ft w a r e in t e g r a t e d e n v i r o n m e n t s , r e a l iz i n g t h e F ly - B y - L ig h t b e t w e e n t h e c o m p u t e r and t h e s e r v o p u

25、m p . A n d t h e n t h e r e la t e d e x p e r im e n t s a r e m a d e t o h a v e a n e c e s s a ry v e r if i c a t i o n t o t h e o r e t i c al a n al y s i s a n d c o n t r o l a lg o r it h m A t l a s t , t h e fi n a l c o n c l u s io n is r e a c h e d , t h a t t w o n e w t y p e s

26、 o f a ir b o r n e a c t u a t i o n s y s t e m s m e n t i o n e d i n t h i s t h e s i s a r e c o r r e c t i n p r in c i p l e , f e a s ib le o n s c h e m e a n d g o o d in s y n t h e t i c p e r f o r m anc e . T h e r e s u lt s o b t a in e d c a n p o i n t o u t t h e c o r r e c t

27、w a y f o r t h e d e s ig n and d e v e l o p m e n t o f t h e a i r b o r n e a c t u a t i o n s y s t e m s o f n e x t g e n e r a t io n f ig h t a i r c r a ft . . K e y w o r d s : a ir c r a ft a c t u a t i o n s y s t e m , P o w e r - B y - Wir e , F l y - B y - L ig h t , n o n - l i n

28、 e a r c o n t r o v a r i a b l e s t r u c t u r e c o n t r o l , s l i d i n g m o d e 汁V 第一a绪论 第一章绪论 1 . 1 引言 作为一种空中运输工具和空中作战武器装备，飞机在国民经济和国防事业中发 挥着许多其它装备难以替代的作用，飞机的研究和研制便因此而倍受重视。近几十 年来，为进一步提高飞机的整体性能，尤其是军事发展的需要，许多高精尖的新科 技已被纷纷用于飞机的设计与制造之中，如新型材料和燃料的研究应用、复杂气动 力学、集散控制技术、矢量控制技术、通讯技术、无线电电子技术、可靠性技术 等。这

29、些新技术、新方法的应用，对飞机上相应的元部件及系统提出了新的和更高 的要求n 6 12 1.13 6 14 1 ，作为飞机控制系统关键分系统之一的飞 机机载作动系统当 然也不例 外。 从广义上讲，飞机机载作动系统是指可以在机上实现某些有相当功率输出的机 械动作的、相对独立的一整套系统，它包括从二次动力源 ( 液压源和电机等)开始 至机械动作执行机构的全套功率传输转换设备，以及与其相应的检测设备和控制系 统，其操纵对象包括各气动力面 ( 操纵面)、机轮转向机构、起落架收放机构以及 其 它 辅 助 动 力 输出 系 统 15 1 本文所研究的作动系统，亦即通常意义的作动系统主要是指操纵面作动系统，

30、 而这些被控操纵面，如升降舵、方向舵、副翼、全动平尾和襟翼等均可直接改变飞 机气动力受力状况，以控制飞机的飞行姿态和飞行轨迹。因而机载作动系统性能的 优劣将直接影响飞机的整体性能，如机动性、安全可靠性及战伤生存率等，同时它 也是制约新型材料、 新技术、新原理甚至新的设计方法应用的重要因素1 6 1, 17 1 ，是目 前 新型作战飞机研制中出现的新的矛盾焦点。因此，研究和研制新型高性能的飞机机 载作动系统已成为研制高性能飞机的重要前提之一。在未来作战飞机朝着高机动 性、超高音速及大功率方向发展的趋势下，新型机载作动系统的研究也将成为下一 代新型飞机研制中的一个重要课题。 北京航空航天火学博士后

31、研究报告 1 . 2 机载作动系统的发展及研究现状 机载作动系统一直伴随着对飞机性能要求的提高以及当时技术水平的状况不断 发展完善，从早期的人工机械操纵式作动系统到当今成熟使用的电液作动系统，以 及目前正在研制与验证中的功率电传I T 言 号光传式作动系统，纵观其发展历程可以发 现，对飞机机载作动系统的研究与开发总是从功率传输与转换方式和控制信号传输 方式两方面展开的。下面将按时间序列归纳总结作动系统的发展及研究过程 6 4 1 7 6 X . 9 1 . 1 1 川3 1 本世纪初至 4 0年代初期，一直是原始的人工机械操纵系统，动力及控制信号均 由飞行驾驶员发出，经机械机构传递至执行机构，

32、特点是简单、可靠性好、无操纵 稳定性问题，但对飞行员体力的消耗很大; 4 。年代至 5 0年代，为适应飞机飞行速度和机动性的提高，平行出现了液压助 力操纵系统和机电作动系统，克服了操纵力增大的障碍，但当时的机电作动系统由 于受电机磁性材料的限制，性能尚不能满足要求。 5 0年代末至 7 0年代初，随着飞行包线的提高和液压伺服技术的 应用，出 现了 电液伺服式舵机，为解决稳定性与可操纵性的冲突，又相继产生了增稳操纵和控制 增稳操纵系统，采用功率液传/ 信号电传及余度技术; 7 0年代初，开始功率电传、信号光传作动系统的研究与开发，美国研制了 称之 为组合舵机的电动液压作动器，它由电动机、液压泵、

33、液压油箱、液压作动器及其 它液压附件集合而成，并装机使用; 1 9 8 2年机电作动系统成功地通过了实验室验证，而后又在 F -1 4战斗机、波音 - 7 2 7 客机和C -1 3 0 和C -1 4 1 军用运输机上 进行飞行试 验， 现己 在 “ 秃鹰” 无人 驾驶飞机上正式装机使用; 1 9 8 5年美国爱理德 ， 西格诺公司为主飞行控制系统研制成电动静液作动器。该 装置可外场更换，输出力为 4 2 k N ，体积为 2 4 5 . 8 c m ， 重量为 1 7 .2 k g 。 己 在 C - 1 4 1 . C -1 3 0军用运输机和 F I A -1 8战斗机上试飞。目 前，

34、通用电气、 维克斯、道 蒂、H R得克斯特朗和卢卡斯等公司也在积极研制电动静液作动器; 一 2一 第一Q : 绪论 本世纪初 ( 1 9 0 3 年) 幸 机械操纵系统 ( 功率机传/ 信号机传) 飞行速度提高 改善跟踪能力 4 0 年代 十 液压助力操纵系统 机电作动系统 ( 功率机一液传/ 信号机传) 飞行包线进一步提高 稳定性与可操纵性冲突 5 0 年代 十 增稳操纵系统 控制增稳操纵系统 功率液传/ 信号机传、电传) 减少体积与重量 实现精微控制 了 0 年代初 幸 电传操纵系统 功率液传/ 信号电传) 改善可维护性 提高战伤生存力 7 0 年代末 十 功率电传作动系统 ( I A P

35、 , E M A , E H A , E B H A ) ( 功率电传/ 信号电传) 8 0 年代初 提高杭电磁干扰能力 进一步减少体积与重量 降低研制费用 十 新型机载作动系统 ( 功率电传/ 信号光传) 图. 1 机载作动系统的发展历程概图 1 9 8 5 年美国空军 / 波音公司启动A D O C S( 先进数字光传作动系统) 计划; 1 9 8 5 -1 9 9 4年，启动并运行旨在开发研制光学传感器的F O C S I 纤维光学系统 集成化)计划: 1 9 8 8 年卢卡斯开始研制用于扰流片控制的机电作动器; 1 9 9 。 年卢卡斯开始研制用于副翼控制的机电作动器; 1 9 9 0

36、 -1 9 9 3年卢卡斯开始研制用于飞机方向舵、扰流片和副翼控制的集成电液 作动器 ; 一 3一 北京航空肮天大学博士后研究报告 1 9 9 4 年启动并运行旨在开发F B L I P B W关键元部件的F L A S H( 先进光传系统硬 件)计划; 1 9 9 5年作为 F O C S I计划的重要环节， ( 美国)国家航空航天局和麦道公司合 作，在F -1 8 系统验证机上试飞信号允传闭环飞控作动系统; 从7 0 年代初，国外便开始研究开发功率电传、信号光传作动系统，历经近万士 年，已经取得了许多可喜的进展。而国内则处于 起步阶段，从 9 0 年代初才开始进行 机电一体化作动系统方案的

37、原理研究、机载作动系统高压泵源的研究以及机载作动 系 统 控 制 信 号 光 传 的 研 究 1 2 1.13 1.114 1 1 . 3 问题的引出及研究思路 到目前为止，在飞机上己经成熟使用的传统的作动系统还是功率液传/ 控制信号 电传的电液伺服作动系统，与此之前的作动系统相比，尽管其性能己有显著提高， 但存在的问题也是不容忽视的，主要包括以下几个方面: ， 系统效率低、发热严重; 易污染、易燃、安全可靠性差; 战伤生存率低; 控制系统抗电磁干扰能力差; 机载设备重量大 ( 无论是功率传输还是信号传输装置); 对地面保障设施要求高、可维护性差; 不利于整体的随控布局设计。 而当今对未来作战

38、飞机的要求越来越高，总方向是:大功率、高机动性、超高 音速和强生存力，这些要求与传统作动系统的特点出现了严重的冲突，主要表现在 以 下 几 方 面 1， 1 ，6 1 : 超高音速带来蒙皮温度升高、复合材料的应用造成动力系统散热条件变差以 及飞机功率的提高均与 传统作动系统的低效率冲突; 为提高机动性采用复合材料减重导致屏蔽性能下降与传统电传操纵作动系统 的抗电磁干扰能力差相冲突: 第一章绪论 为提高战伤生存率应尽可能减少液压管路; 超高音速飞行和高机动性均要求提高飞机的气动力学特性，因而必须采用随 控布局设计为法 对未来作战飞机的要求 大功率超高音速 高机动性生存力强 蒙皮温度增高 提高气动

39、 力学特性 、 轻 整 沙 重 量 re 身 性 十 随控布局设计复合材 降低外辐射 动力系统 提高效率 散热差 鹰 赢 妥 采 ;f 4t w 高机动性、超高音速及大功率使得传统机载作动系统中快速响应性与高效率 之间的矛盾更加突出; 为根本解决上述矛盾，只有采用功率电传/ 控制信号光传的全电机载作动系统， 由于当前我国科技水平现状还较低，高性能可控电机和大功率控制元件的研制还处 于初始阶段，因此研究具有功率电传的电液作动系统是一种必要的过渡，并逐步实 现控制信号的光传。本文正是基于这样的想法提出了两种新型功率电传式电液作动 系统，电机一泵复合控制和电机一泵一阀复合控制作动系统，并实现部分控制

40、信号 的光传。问题引出的原由可参见图 1 20 简单地说，机载作动系统的工作机制就是以 “ 操纵)信号流”控制 “ 功率 流”，因此解决了这两方面的问题也就解决了机载作动系统问 题的全部. 1 . 4 报告的结构及主要内容 本文以新型飞机机载作动系统的原理为中心展开分析与研究。 首先，在查阅大量文献的基础上，对目前国内外正在研制和验证中的各种机载 作动系统 ( 包括功率传输系统和信号传输系统)进行详细的方案分析，然后根据对 未来作战飞机的要求，以及我国当前的技术水平现状，针对现有作动系统存在的问 题，提出两种新型的飞机机载作动系统控制方案和一种信号光传方 一 案: 电机一泵复合控制方案 电机一

41、泵一阀复合控制方案 准数字光传方案 然后，以上述两种作动系统控制方案为中心进行相应的系统建模和理论分析， 针对系统中出现的非线性问题提出相应的非线性控制方法，通过仿真研究和实验研 究验证所提方案的可行性。并物理实现该作动系统的计算机控制和准数字光传。 最后得出对未来飞机机载作动系统的研制有益的结论。 本论文共分七章，各章的简要介绍如下: 第一章主要阐述机载作动系统的发展历程、国内外研究现状和研究机载作动系 第一章绪论 统的意义，引出本文的课题万向，交代沦文的研究思路和主要 作; 第二 _ 章重点对机载作动系统的功率转换与传输万式的方案分祈，首先对正在研 制和验证中的三种功率电传方案进行剖析，然

42、后提出适合我国国情的两种新型机载 作z 1 1 系统控制方案，即电机一泵复合控制和电机一泵一阀复合控制万案; 第三章的中心是机载作动系统控制信号元传的方案分析，首先简单介绍光导传 输系统的丁作原理、特点及应用中存在的问题，然后根据未来飞机的需求引出信号 光传方案的必要性，并详尽阐述光传操纵的特点，最后提出r 一种准数字光传方 案，解决了模拟光传非线性、而数字光传复杂成本高这一对问题; 第四章分别对两种新型作动系统进行理论分析，首先根据实验系统结构及参数 建立理论数学模型，然后在 MA T L A B - S i m u lin k 平台上进行数值仿真，得到相应的仿 真结果，并通过仿真研究电机一

43、泵复合控制方案的控制机制、发现泵阀并联控制时 输出的抖动问题及解决方法，最后对两种方案进行比较，得出一些对设计具有参考 价值的结论; 第五章是对机载作动系统非线性控制算法的研究，首先总结了非线性分析方 法，以及常用非线性控制的综合方法，然后以电机一泵组与阀并联模式为研究对 象，建立数学模型、讨论控制算法，提出以含有棒棒控制的变结构滑动模态控制方 式实现对该子系统的控制，达到了系统快速性与鲁棒性的兼顾，并有效地削弱了 滑 模控制的抖动现象。对电机一泵复合控制系统提出了一种准增益调度控制方案，即 电机转速的非对称调节，有效地改善了系统的快速性; 第六章是实验研究部分，完成了电机一泵复合控制作动系统

44、计算机控制的硬件 实现，以及控制系统软件集成环境，并做了大量的实验，同时完成了准数字光传系 统设计与实现，并实验验证了该光传方案的可行性: 第七章对全文工作进行总结，得出结论，并对下一步研究工作进行展望。 一 7一 北京航空航天大学博士后研究报告 第二章机载作动系统功率电传的方案分析 众所周知，机载作动系统的性能对 匕 机的整体性能有很大的影响，尤其是作动 系统动态特性对飞机机动性的影响更加直接。而影响作动系统动特性的主要因素是 作为机载作动系统中两流之一的功率流，即动力功率的传输与转换方式，它因此成 为机载作动系统研究的关键。特别是如何解决系统的快速响应性与高效率之间日益 突出的矛盾，已成为

45、功率转换与传输环节研究的重点问题。从目前的发展趋势看， 功率电传将逐步取代 “ 功率液传”等其它方案，并向全电作动系统过渡。 2 . 1 机载作动系统功率转换与传输方式的发展历程 早期的飞机飞行操纵是采用完全的人工机械操纵，除去飞行员因素， 靠性是足够高的，至今在许多飞机上仍将机械操纵系统作为备份系统保留 其系统可 ，以备应 急安全之用。随着飞机功率的增大、性能的提高，飞行员的体力己不能适应飞行操 纵力的要求，带有液压助力器的飞行操纵系统随之出现。上述作动系统的功率传递 属于机械式的，其主要特点是结构简单、可靠性好、维护方便，但其快速性及输出 功率还远不能满足现代飞机的要求。 科学技术的提高推

46、动机载作动系统的不断改进，相继出 现了 机电作动系统和电 液作动系统。起初的机电作动系统由于受到磁性材料的限制，电动机自身的转动惯 量很大，作动系统的快速响应性能不能满足作战飞机对高机动性的要求，早期对功 率电传作动系统的研制就此搁浅。 六十年代后期，液压传动技术特别是电液伺服技术的应用，使得电液作动系统 立即成为飞机机载作动系统功率转换与传输的主要形式，并在其后的数十年中逐渐 发展成熟，保持其输出功率大、响应快等优势，直至现在的大多数飞机作动系统仍 然采用电液伺服系统的形式。传统的电液伺服作动系统的功率控制是以伺服阀阀控 形式为主，这里提及的电液作动系统的能源一般是中心液压能源，因此由能源至

47、作 第二章机载作动系统功率电传的方案分析 动筒间是以液压能形式传递功率的或称通过管道传输功率，即所谓的 “ 功率液传” - P o w e r - B 州 y d r a u li c ( P B H ) 或P o w e r - B y - P i p e ( P B P ) 。 功率 液 传形 式的 作动 系 统具有响应快、功率大的特点，但其系统可靠性差、易污染、易燃、重量大、并且 维护性差，尤其对于战斗机，其战伤生存力将受到严重的威胁 七十年代后期，随着高磁能积稀 _ 水磁材料的研究与应用，以及大功率半导体 驱动器件的出现，使得驱动电机输出功率大、转动惯量小、转换效率高成为可能， 从而

48、促进了“ 功率电 传” P o w e r - B y - W i r e ( P B W) 作动系统的发展。国 外航空航 天界在该领域的研究已进入飞行验证阶段，而我国在此方面还米进行实质性的研 究，尚处在资料收集和方案分析阶段。 所谓功率电传是指，在飞机第二能源系统至作动系统各执行机构之间，功率传 输是通过电导线以电能量传输的方式完成的。近年来，国内外航空航天界对功率电 传作动系统的研究愈来愈关注，其原因是，与传统的具有中心液压能源系统的机载 作动系统相比，分布功率式的电传作动系统有其诸多优点 1 17 ),1 1 $ ), 1 1 叭 提高飞机受损后的生存力和战伤生存率; 改善飞机的可维护

49、性; 降低对地面保障设施的要求; 减少由于液压油燃烧引起火灾的可能性: 提高飞机的可靠性: 提高飞机的整体效率; 利于实现飞机的整体随控布局设计; 改善飞机的整体性能。 由此可见研制功率电传作动系统的意义。 2 . 2 几种功率电传作动系统的实现方案 现阶段国外正在验证或研制中的功率电传作动系统，按其控制方案的不同可分 为以下三种基本类型18 1,1 3 伙 集成电液作动器; 北京航空航天大学博士后研究报告 机电作动器; 电动静液作动器。 以下将对上述三方案分别进行分析，并通过对比提出尚存的问题。 2 . 2 . 1 集成电液作动器 集成电 液作动器I A P ( i n t e g r a t e d A c t u a t i o n P a c k a ,- e )是由定转速的驱动电 机、 伺 服控制的液压柱塞泵 ( 伺服泵)、液压作动筒和伺服泵控制器等四部分构成。其控 制原理图如图2 . 1 所示。 衬/一泵 D C / A C 电 源 伺-/ 电动机作动筒 动力功率 控制信号 图2 . 1 集成电液作动器功率控制原理图 1 ) 伺服泵 一个以固定转速旋转的斜轴式双向 变量泵， 可根据偏差控制信号 对 作动筒进行控制，该泵可靠性好、效率高，通过控制斜