摘要：航空发动机主燃油伺服系统在稳态控制过程中存在小幅波动问题，严重影响发动机运行品质。本文针对该问题，详细分析了异常现象和主燃油伺服系统工作原理，明确问题根源在于电液伺服阀在微调工况下分辨率差，导致阀芯运动存在滞环现象。在此基础上，提出了一种基于颤振效应的伺服系统控制优化方法，突破传统PID控制框架，在控制信号中注入幅值可控的高频颤振分量。通过建立主燃油电液伺服阀控制回路的简化数学模型并进行仿真分析，揭示了分辨率对伺服系统稳定性的影响机理。以射流管电液伺服阀为对象开展半物理模拟试验，结果表明该方法能够有效消除伺服系统小幅波动现象，最大波动量由±0.18%减小至±0.12%，且方法简单、易于工程实现。最后，对电液伺服系统的发展趋势进行了展望。
关键词：伺服系统；电液伺服阀；分辨率；小幅波动；航空发动机；主燃油；颤振
一、电液伺服系统介绍及相关研究概述
电液伺服系统因具有体积小、响应速度较快、功率密度大、调速范围较宽、环境耐受性好、低速平稳性好等特点，在航空航天领域得到了广泛应用。航空发动机作为飞机的核心部件，其性能直接决定飞行安全与效率。在航空发动机控制系统中，主燃油流量控制、风扇导叶控制、压气机导叶控制、喷口面积控制、加力燃油流量控制等关键功能均通过电液伺服系统实现。电液伺服阀作为伺服系统的核心控制元件，在系统中起功率放大和电液转换作用，其可靠性和性能直接决定整个系统的可靠性和性能。
电液伺服阀的控制品质由其分辨率决定，分辨率的大小直接影响伺服阀的控制精度和响应速度。电液伺服阀的分辨率主要受滑阀摩擦力影响。航空发动机主燃油伺服系统长期服役于高温、高压、强振的恶劣环境中，对电液伺服阀的分辨率要求较高。当系统处于低速运动时，例如稳态控制过程，由于伺服阀的流量变化很小，伺服阀分辨率对伺服系统控制的影响尤为突出。分辨率过大会导致伺服系统自持振荡，使低速运动的动态过程加剧、调节时间加长，并使低速运动的变速跟踪性能恶化。
伺服系统一般要求伺服阀分辨率小于额定电流的1%，较高精度的伺服系统则要求分辨率小于额定电流的0.5%甚至更小。然而，受制于加工工艺和服役环境，实际分辨率往往难以达标。如何通过控制算法优化克服硬件限制，成为航空发动机伺服系统领域的研究热点。
近年来，颤振效应在改善阀控系统滞环特性方面展现出显著潜力。颤振技术通过在控制信号中叠加高频小振幅信号，使阀芯处于持续微幅振荡状态，从而有效降低静摩擦力、消除滞环，提升系统响应灵敏度。Shome等采用颤振控制提高了机械手的位置控制精度；Cheng等通过调整颤振信号周期降低了能量消耗；Ma等和Han等在电流环控制中引入了颤振信号以提高压力跟踪性能。Bucher等提出了自适应颤振频率控制方法以提高控制性能。Yang等实现了基于模型的颤振振幅和频率循环设置。Mohammadi等使用颤振信号补偿反馈系统中执行器的非线性特性。
国内研究方面，刘国平等系统地分析了电液比例阀脉宽调制控制中颤振信号的参数优化机制。谢玉东等和朱玉田等分别在气动比例阀摩擦力补偿和脉宽调制算法中实现了突破。近期，有学者提出了基于改进黏菌优化算法的颤振信号参数优化方法，可有效减小系统滞环面积与滞环宽度，提高系统控制精度。此外，在空载流量特性死区的颤振补偿方面，研究表明随着颤振幅值的增加，死区逐渐变小。通过叠加一定幅值及频率的颤振信号，可使系统克服粘滑摩擦，在基本恒定的库仑摩擦力作用下运动，减少系统的滞后时间。
然而，上述研究多集中于数字阀、比例阀等通用场景，针对航空发动机电液伺服阀特殊工况下分辨率不足引发的控制波动问题，尚未形成系统性的解决方案。鉴于航空发动机主燃油伺服控制系统的重要性，有必要对伺服系统控制方法进行深入研究。
本文针对航空发动机主燃油伺服控制系统存在小幅波动的问题，基于主燃油伺服回路工作原理，提出了一种基于颤振效应的伺服系统控制方法。该方法通过在控制信号中注入幅值可控的高频颤振分量，驱动阀芯持续微幅振荡，有效降低滑阀摩擦力并消除滞环效应，从而提升伺服阀分辨率和系统动态响应性能。
二、主燃油伺服系统控制小幅波动现象分析
2.1 小幅波动现象
航空发动机主燃油伺服系统在半物理模拟试验过程中，存在明显的小幅波动现象。试验数据显示，燃油计量活门位移反馈波动幅度为±0.18%，波动周期约为4.6 s。这种小幅波动虽不至于导致系统失控，但会降低控制精度，影响发动机燃烧效率和运行稳定性，在长期运行中可能引发更严重的性能退化问题。
2.2 电液伺服阀工作原理
电液伺服阀是伺服系统中实现电液转换的关键元件。以射流管电液伺服阀为例，其工作原理可概括为：当马达线圈输入控制电流后，在衔铁上生成的控制磁通与永磁磁通相互作用，在衔铁上产生一个力矩，促使衔铁、弹簧管、喷嘴组件偏转一个正比于力矩的小角度。通过喷嘴高速射出的液流，使接收器一腔压力升高、另一腔压力降低，阀芯在接收器两腔压差的作用下移动，直到反馈组件产生的力矩与马达力矩相平衡，使喷嘴回到两个接收器的中间位置为止。伺服阀输出流量正比于控制电流。
2.3 分辨率问题的成因分析
伺服阀分辨率差主要是由滑阀摩擦力造成的。分辨率具有类似非线性滞环的特性，可将阀分辨率近似看作非线性滞环。分辨率越大，其对伺服系统所产生的不良影响也就越大。
摩擦力对电液伺服系统的动静态特性会造成极大的干扰。在电液伺服阀结构确定之后，提高分辨率的关键在于减小伺服阀滑阀摩擦力。但伺服阀滑阀摩擦力与诸多因素有关，包括燃油污染程度、阀芯变形情况、滑阀加工精度、阀套毛刺和阀芯棱边等。在燃油清洁度符合要求和滑阀结构设计合理的情况下，主要靠提高加工精度来减小滑阀摩擦力。然而，受加工工艺和服役环境的限制，单纯依靠提高加工精度难以完全满足使用要求。
2.4 波动机理分析
分析航空发动机主燃油电液伺服阀控制回路工作原理可知，主燃油伺服小闭环控制器根据计量活门位移期望值和反馈值，闭环运算得到执行机构电液伺服阀驱动电流，执行机构在电液伺服阀的驱动下，计量出供给航空发动机主燃烧室的燃油流量。
在稳态控制过程中，由于偏差（计量活门给定与计量活门反馈的差值）较小，经过PID控制器计算出的电流控制量也偏小。此时，如果电液伺服阀分辨率差，无法快速响应较小的控制量（电流），会造成实际输出相较理论计算存在延迟，从而导致主燃油计量活门位移出现小幅波动现象。波动的幅值和周期随分辨率的增大而加大。
三、建模与仿真分析
3.1 控制回路各环节简化数学模型
为深入分析分辨率对伺服系统性能的影响，对主燃油电液伺服阀控制回路的各个环节进行计算分析，建立各环节的简化数学模型。主要包括：
（1）电液伺服阀模型
电液伺服阀是系统的核心环节，其传递函数可近似表示为：其中，Kv为伺服阀增益，ωv为伺服阀固有频率，ζv为阻尼比。
（2）计量活门模型
计量活门作为执行机构，其动态特性可用一阶惯性环节近似：其中，Ka为活门增益，Ta为时间常数。
（3）PID控制器模型
控制器采用经典的PID控制律：
（4）传感器模型
传感器可近似为比例环节：
3.2 主燃油电液伺服阀控制回路仿真分析
根据各环节的简化数学模型，形成主燃油电液伺服阀控制回路的Simulink全数字仿真平台。由于电液伺服阀分辨率具有类似非线性滞环的特性，可将其近似看作非线性滞环。受条件限制，无法构建高精度的电液伺服阀Simulink仿真模型，故采用在控制回路模型中增加延迟环节的方法进行定性仿真分析。相关结果可部分反映分辨率对伺服回路性能的影响。
理想状态下，伺服阀分辨率极高，延迟为0 ms，此时伺服回路闭环控制正常、无波动。将伺服回路延迟时间分别设置为50 ms、100 ms、150 ms进行仿真。仿真结果表明，当延迟时间超过一定值（100 ms）后，伺服系统开始出现波动，且波动幅值和周期随延迟时间的增加而变大。
这一仿真结果与前述理论分析高度一致：伺服阀分辨率差导致控制延迟，延迟累积到一定程度后引发系统自持振荡，表现为计量活门位移的小幅波动。仿真结果从定量角度验证了分辨率不足是导致伺服系统小幅波动的根本原因。
3.3 基于颤振效应的伺服系统控制方法
从上述分析可知，主燃油伺服阀控制回路出现小幅波动的根本原因为伺服阀分辨率差。为了提高伺服阀分辨率，必须通过改变控制算法来减小伺服阀滑阀的摩擦力。
基于颤振效应的伺服系统控制方法的基本思路是：利用颤振效应，在正常PID计算的基础上叠加高频小振幅的颤振信号，使伺服阀阀芯处于小幅振荡状态，以减小伺服阀滑阀的摩擦力，提高电液伺服阀对电流变化响应的灵敏度。当电流控制量出现小幅变化时，伺服阀能够快速进行响应。
具体而言，当伺服回路处于正常闭环运算时，在正常PID运算结果上叠加周期为Period和幅值为Peak的方波电流（或其他周期性信号），使作用在电液伺服阀上的电流一直处于高频振荡状态。这种方式有效避免了由于电液伺服阀分辨率差、电流变化较小时伺服阀无动作所导致的小幅波动，同时也避免了可能导致大闭环产生的低频波动现象。
颤振消除滞环的物理机理在于：通过高频小幅振荡，使阀芯与阀套之间的静摩擦状态被持续打破，将静摩擦转变为动摩擦，从而显著降低摩擦力峰值。当摩擦力被有效抑制后，即使控制电流只有微小变化，阀芯也能迅速响应，消除了因分辨率不足导致的控制延迟和自持振荡。该方法突破传统PID控制框架，是一种创新的控制优化策略。
四、半物理模拟试验验证
4.1 试验方案
采用基于颤振效应的伺服系统控制方法，以射流管电液伺服阀为研究对象，在半物理模拟试验台上进行试验验证。试验在正常PID计算的基础上叠加不同频率和不同幅值的颤振信号，考察其对伺服系统控制性能的影响。射流管电液伺服阀因其强大的抗污染能力，目前已成为航空发动机控制系统中应用最广泛的元件之一。
4.2 试验结果与分析
试验结果表明，采用基于颤振效应的伺服系统控制方法后，伺服系统的稳态波动量得到明显改善。波动量由原来的±0.18%降低至±0.12%以下。
在颤振信号频率方面，20~100 Hz范围内均能有效消除伺服系统的小幅波动现象。小幅低频波动的周期仅与颤振的幅值有关——当颤振信号幅值增加至10 mA时，小幅低频波动现象完全消失。
在颤振信号幅值方面，试验表明在相同条件下，颤振信号幅值越高，伺服系统控制精度越高。这说明颤振幅值对摩擦力抑制效果具有决定性影响——幅值越大，阀芯振荡幅度越大，对静摩擦的打破效果越显著，从而分辨率提升越明显。
在不同工况下的验证中，当主燃油计量活门位移期望值分别为10%、30%、50%时，对频率为100 Hz、幅值为10 mA的颤振信号进行试验验证，均未出现小幅低频波动现象。这表明该方法具有良好的工况适应性。
4.3 试验结论
从试验结果可以得出以下结论：
（1）通过设置合理的颤振信号频率和幅值，可以有效消除由电液伺服阀分辨率差导致的小幅低频波动问题。
（2）该方法大幅降低了主燃油伺服控制波动量，最大波动量由±0.18%减小为±0.12%。
（3）该方法可实现伺服系统的精确控制，且在不同工况下均表现良好。
（4）该方法简单、易于实现，对提高航空发动机伺服系统控制性能具有重要作用。
五、结论与展望
5.1 结论
本文针对航空发动机主燃油伺服系统控制过程中存在的小幅波动问题，开展了系统的研究工作，主要结论如下：
（1）通过对主燃油伺服系统的工作原理和小幅波动现象进行分析，明确了波动原因是电液伺服阀分辨率较差。分辨率差主要由滑阀摩擦力造成，具有类似非线性滞环的特性。
（2）提出了一种基于颤振效应的伺服系统控制方法。该方法在正常控制运算的基础上叠加高频小振幅的周期信号，使伺服阀阀芯处于小幅振荡状态，从而减小伺服阀滑阀的摩擦力、消除滞环、提高电液伺服阀对电流变化响应的灵敏度。
（3）通过建模与仿真分析，验证了分辨率不足导致伺服系统波动的机理。延迟环节的仿真结果表明，当延迟超过一定阈值后，伺服系统开始出现波动，且波动幅值和周期随延迟增加而变大。
（4）半物理模拟试验验证结果表明，该方法能够消除由于电液伺服阀分辨率差带来的主燃油伺服系统小幅波动现象，最大波动量由±0.18%减小为±0.12%。
（5）该方法已在航空涡扇航空发动机控制系统中得到应用，效果显著。该方法完全适用于其他采用电液伺服阀控制的伺服系统。
5.2 电液伺服系统发展展望
电液伺服系统作为连接智能电控指令与机械动力的关键桥梁，其技术演进水平将直接决定下一代航空装备的性能。展望未来，电液伺服系统的发展将呈现以下趋势：
（1）颤振参数的智能化优化
目前，颤振频率和幅值的选择主要依赖工程经验。未来可借助智能优化算法实现颤振参数的自动寻优。已有研究表明，基于改进黏菌优化算法等方法可有效优化颤振信号参数，减小系统滞环面积与滞环宽度。随着人工智能技术的发展，基于深度学习和强化学习的颤振参数自适应调整策略有望成为重要研究方向。
（2）电液伺服系统的数字化与智能化
随着低空经济、全电航空发动机等新兴领域的快速发展，电液伺服系统正朝着数字化、智能化方向演进。离散数字液压伺服控制技术通过“新元件、新方法、新系统”的全链条创新，为电液伺服系统的性能提升开辟了新路径。电动静液作动器（EHA）等新型作动技术将伺服电机、双向柱塞泵、执行机构等高度集成于一个模块化单元，实现了“机电液深度一体化”。
（3）可靠性评估与寿命预测
长期高频振荡对伺服阀寿命的影响仍需进一步研究。未来应建立颤振作用下伺服阀的疲劳寿命评估模型，开展加速寿命试验，明确颤振参数与伺服阀寿命之间的定量关系，为颤振参数的工程选取提供科学依据。同时，结合健康管理（PHM）技术，实现伺服系统状态的实时监测与寿命预测。
（4）极端环境适应性与高可靠性
航空发动机伺服系统面临的极端环境条件（高温、高压、强振）对系统的可靠性提出了更高要求。未来需要在新型材料、先进制造工艺、冗余设计等方面持续突破，提升电液伺服系统在极端工况下的可靠性和耐久性。
综上所述，基于颤振效应的控制优化方法为解决航空发动机伺服系统分辨率不足问题提供了有效的技术途径。随着智能化、数字化技术的不断发展，电液伺服系统的控制性能将得到进一步提升，为航空发动机的高效、安全运行提供更加坚实的保障。
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