多级伺服阀驱动的液压执行器非线性前馈控制

　　0 前言

　　自由活塞式内燃机（ICE）的设计目标是为了将燃料的化学能转换成电能。它是未来的电动汽车中的重要组成部分。发电机由3个主要组件构成：（1）一个将化学能转化为动能的燃烧段；（2）一台将动能转化为电能的线性发电机； （3）气体弹簧储存能量和反演的活塞运动。

　　燃烧活塞，发电机转子和气弹簧活塞严格耦合，并且执行止点和上止点之间的横向振荡。相比传统的燃烧发电机，这个引擎的概念倡导引出完全灵活的操作参数，比如可变行程和可变压缩比等。此外，活塞轨迹的形状是可变的，而且通常不同于曲柄传动运动学上固定的轨迹。

　　自由活塞式发电机的开发需要一种方法，对每个组件分别进行测试。让这3个组件同时投入运行是一项不可能完成的任务，因为每个组件有大量相互影响的参数。为了能够测试每一个组件，有必要利用执行器来取代缺失的组件，并以此驱动活塞。执行器沿着一个预定义的预期轨迹移动每个组件，以便它可以独立于其他两个组件进行操作。追求这一策略，组件可以投入运行，并且在它们组合在一起之前可以单独调整。为这个应用而选择了液压线性执行器，因为它能够产生极大的力，而且它可以适应没有任何机械变化的轨迹。图1显示了液压发电机测试台所有3个组件都连接在液压执行器上。

　　图1 在测试台的液压执行器

　　额外的执行器要求较高的性能参数。它应该在高频率（30Hz），大行程（90mm）和大力量（甚至惯性力量加到10kN）的条件下操作。所有这些数值在过去都已经分别达到了，但是没有一个已知的应用，在一个单一的操作点上将这些数值结合起来，上述值均高于那些用于处理汽车悬架开发的测试装置所需的数据。DEUSCHI记录到的最高速度是2.5m/s，而发电机试验台的结合要求相当于4.2m/s的平均速度和8.5m/s的最大速度。通过利用模拟振动台达到300mm的行程和100Hz的最大频率，但不是在一个单一的操作点上进行。模拟振动台的限制因子是7g的最大加速度，而自由活塞线性发电机（FPLG）测试台所需的加速度要求达到160g。此外，关于频率带宽的需求包括高达30Hz的基本频率以及3～7倍的频率，因为预期的柱塞运动是一个非谐波的周期性信号。

　　为了满足自由活塞线性发电机（FPLG）满足自由活塞发电机（FPLG）中的液压执行器高频率和大行程的要求，文中提出的系统选择的硬件设置如下。主要的组件是一个双动液压工作的活塞，定制的铝柱塞是为了减少移动质量。它由一个三阶段成比例的伺服阀驱动，额定流量为1000L/min。关于液压系统规范的概述，请参见表1。高精度增量位移测量系统用于检测柱塞的位置。关于控制任务，应用数字控制器，并且在数字空间的实时系统中运行。