燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究.pdf

第52 卷第3期2023 年0 9 月文章编号：16 7 2-5549(2 0 2 3)0 3-0 16 9-0 9燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究肖列盛12,李伟12,谭湘敏 2,胡春艳 2,卢新根12 王锐，罗凯凯（1.中国科学院工程热物理研究所轻型动力重点实验室，北京10 0 190；2.中国科学院大学，北京10 0 190)摘要：为缓解重型燃气轮机双余度导叶执行机构的切换过程给系统造成的冲击，提出了一种基于模糊规则的余度切换控制策略。首先基于双余度导叶执行机构的工作原理，建立了电液位置伺服系统各部件的数学模型，然后以导叶作动筒位移误差和速度作为输入参数，主备伺服回路切换系数作为输出参数，设计了一种二维模糊切换控制器，并针对伺服阀单向卡滞、伺服阀喷嘴堵塞2 种典型故障工况进行了联合仿真分析。结果表明，采用传统阈值切换的方式，各物理量在切换点位置波动明显，而采用模糊切换的控制策略能够有效削弱切换过程对导叶作动筒位移、速度和两腔压力造成的冲击及振荡，从而实现双余度导叶执行机构之间的平稳切换。关键词：重型燃气轮机；导叶执行机构；电液伺服阀；双余度；模糊切换中图分类号：TK472Research on Fuzzy Switch Control Strategy of GuideXIAO Liesheng*-,I Weil-,TAN Xiangmin2,HU Chunyan-2,(1.Key Laboratory of Light-duty Gas Turbine,Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)Abstract:A switch control strategy based on fuzzy rules was proposed to mitigate the impact of switch process ofdual-redundancy guide vane actuator on the system in heavy-duty gas turbine.Firstly,the mathematical model of eachcomponent in electro-hydraulic position servo system was established based on the working principle of dual-redundancy guide vane actuator.Secondly,a two-dimensional fuzzy switch controller was designed with displacementerror and velocity of guide vane actuator as input and switch coefficient of main and standby servo loops as output.Furthermore,a co-simulation analysis was carried out for two typical fault conditions of the servo valve,which wereunidirectional stuck and nozzle block.The results showed that each physical quantity fluctuated obviously at theswitch point while using traditional threshold switch method,while the fuzzy switch control strategy could effectivelyreduce the impact and oscillation on the displacement,velocity and two-chamber pressure of the guide vane actuatorduring the switching process,thus a smooth switch between the dual-redundancy guide vane actuator could beachieved.Key words:heavy-duty gas turbine;guide vane actuator;electro-hydraulic servo valve;dual-redundancy;fuzzyswitch导叶执行机构是重型燃气轮机控制系统的重要组成部分，而电液伺服阀作为导叶执行机构的热力透平THERMALTURBINE文献标志码：Adoi:10.13707/ki.31-1922/th.2023.03.002Vane Actuator in Gas TurbineLU Xingen-2,WANG Ruil,LUO KaikailVol.52No.3Sep.2023核心部件,其稳定性和可靠性直接影响重型燃气轮机的安全运转。由于重型燃气轮机长期在高收稿日期：2 0 2 2-12-0 6基金项目：国家科技重大专项（J2019-V-0014-0109），国家科技重大专项（2 0 17-V-0010-0061）作者简介：肖列盛（1998 一），男，中国科学院大学在读硕士，主要从事发动机液压系统容错控制研究。通信作者：李伟（198 5一），男，毕业于中国科学院大学，博士，正高级工程师，主要从事航空发动机附件系统研究；。修订日期：2 0 2 3-0 6-2 7169第3期温、高速、变负荷等复杂工况下运行，电液伺服阀作为一种高精密部件，极易出现喷嘴堵塞、阀芯卡滞等不可逆故障，它们会严重威胁机组的运行安全1-2 。为了保证重型燃气轮机在复杂工况下的可靠性，要求在电液伺服阀发生故障时导叶角度仍然可控,从而保证机组的稳定运行。这就对导叶执行机构的容错能力、抗干扰能力以及控制性能提出了更高要求。目前电液伺服系统多采用穴余配置，但存在余度切换波动大、时延大等问题3,其会对系统造成较大的冲击，使参数发生跳变,进一步可能导致发生压气机喘振、燃烧室熄火等危害性故障，严重时将直接引发跳机。因此,对于重型燃气轮机导叶执行机构余度切换控制策略的研究具有重要意义。因模糊控制具有抗干扰能力强、跟踪速度快、精度高的优点,其在电液伺服系统领域的应用被广泛研究。Bessa等4 针对电液伺服系统的死区非线性问题,提出了一种自适应模糊补偿方案,该算法可自动识别死区非线性，进行预先补偿，消除了参数不确定性和非光滑轨迹带来的跟踪误差。Shi等5 和Shen 等6 设计了一系列基于自适应T-S模糊模型的容错控制器,以解决执行器发生故障时的容错跟踪控制问题。Li等7-8 、Rehman等9 针对双允余混合电液伺服系统故障时从阀控缸到泵控缸的主动切换问题，在不同的主或备的模式下构建了不同故障级别的参考模型，并设计了一种自适应模糊控制器来限制切换造成的系统性能退化。Chen 等10 设计了一种模糊控制器，解决了双余度电液伺服系统的运动同步问题，减少了由参数不确定性、未建模非线性和干扰引起的位置跟踪误差，实验结果表明该控制器能够有效地实现双余度的位置同步。Koumboulis等i提出了一种基于逻辑的切换控制方法来消除切换过程中出现的抖动问题，保证了切换点位置处的平稳过渡。宋亦静等12 针对泵阀联控电液伺服系统2个回路切换过程中存在冲击的问题,设计了一个二维模糊切换控制器，以位移误差和速度作为输入参数，以泵阀回路切换系数作为输出参数。仿真结果表明，相比于直接切换，所提方法明显减小了2 个回路切换时系统所受的冲击。Liu等3、谢苗等14、高炳微等15 针对位置压力复合控制电液伺服系统，提出了一种基于切换因子的模糊170燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究切换控制方法，仿真和实验结果均表明该方法可以有效削弱电液位置与电液压力在控制切换过程中产生的抖动和跳变。王延年等16 、容盘祥等17 针对传统阈值切换存在切换点难以选取,以及切换扰动的问题,设计了一种多模复合控制器，基于模糊规则进行切换，消除了各控制器之间的切换扰动，提高了切换时系统的性能。李海涛等18 针对电液伺服阀常见的3种功能故障和液压缸负载扰动，提出了一种基于模糊PID信号补偿的容错控制方法，当误差超过设定阈值时，通过对输入信号进行快速补偿来纠正系统的输出信号，最后通过仿真验证了4种工况下的容错控制效果。Kong等19 提出了一种基于模糊规则的电液比例系统智能混合切换的控制方法，可实现PID、神经模糊和专家系统3种控制律之间的切换控制。综合上述国内外学者的研究，发现模糊控制在亢余液压伺服系统中已有应用，但大多只考虑液压执行器发生故障的情形，对于电液伺服阀发生故障的情况考虑较少。尤其在重型燃气轮机导叶执行机构容错控制方面的研究尚不充分，液压系统虽然做了穴余处理，但往往忽略了伺服阀瞬时切换对系统造成的冲击振荡问题。为了提高重型燃气轮机在复杂工况下运行的安全性和可靠性,本文将采用基于模糊规则的切换控制策略，针对这一问题进行研究，旨在缓解导叶执行机构主备伺服阀切换带来的冲击及振荡，实现平稳切换。1系统描述和数学建模1.1系统工作原理某重型燃气轮机双余度导叶执行机构工作原理如图1所示，该系统由2 个电液伺服阀、2 个切换活门、液压作动筒、连杆、压气机导叶、直线位移传感器（Linear Variable Displacement Transducer,LVDT）和线速度传感器（Linear Velocity Trans-ducer,LVT)组成,其中电液伺服阀采用双余度配置，一个伺服阀作为主控,另一个作为备份同时工作,属于典型的电液位置伺服控制系统。其中，切换活门是一个两位三通高频响比例阀,其开口大小由占空比决定,LVT用来监测作动筒的速度，并将其作为模糊切换输入变量，不参与闭环控制。燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究回油恒压油源主控伺服阀切换活门Z切换活门2QPP.IIQ.A.A导叶作动器图1双余度导叶执行机构工作原理图（虚线框内为研究对象）系统正常运行时，主备伺服阀同时通电工作，同时切换活门失电。经主控伺服阀控制输出的液压油直接进入导叶作动筒的无杆腔和有杆腔，从而控制其活塞杆移动。而经备份伺服阀控制输出的液压油则在切换活门人口处回油等待，当主控伺服阀出现故障时，通过控制切换活门和2 个伺服阀的开度,逐渐过渡到备份伺服阀，使其进行代替工作。电液伺服系统采用恒压油源供油。导叶作动筒活塞杆的伸出端与压气机导叶通过连杆铰接在一起,导叶的角度随着作动筒活塞杆的位移而变化，从而调节燃气轮机的进气量和气流方向，以适应燃气轮机的变工况特性和状态切换，扩大压气机喘振裕度，保证燃气轮机稳定工作。本文的研究对象是图1中的重型燃气轮机导叶执行机构中的双余度电液伺服阀，拟针对主控电液伺服阀发生故障时切换至备份阀门运行而带来的系统冲击问题,进行余度切换控制的研究，以期实现主备之间的平稳切换。燃气轮机压气机导叶角度通过液压执行机构来调节,执行机构是一个位置闭环控制系统,其控制原理如图2 所示。该系统由位移传感器、位置控制器、伺服放大器、双余度电液伺服阀、导叶作动筒组成，位移传感器测量的液压缸活塞位移通过数据采集板卡完成反馈，再由位置控制器根据上位机指令信号与反馈信号的偏差计算出伺服阀电流控制信号，由伺服放大器将电流信号放大，然后输入电液伺服阀来调节阀口开度，进而控制液压作动筒活塞杆的伸出，以实现对导叶角度的控制，实现位置的闭环控制。yoe位置U伺服电液伺服阀Q.导叶导叶控制器放大器（双余度）LVDT位移传感器图2 电液位置闭环控制原理框图热力透平1.2数学建模P备份伺服阀位置传感器hh速度传感器作动简1.2.1阀控非对称缸模型重型燃气轮机导叶执行机构是典型的电液位置控制系统，而电液位置控制系统是典型的阀控非对称缸系统。阀控非对称缸的液压原理图如图连杆3所示，其动态特性可用3个基本方程来描述：伺服阀流量方程、液压缸流量连续性方程、液压缸和负载力平衡方程。APP2P.图3阀控非对称缸液压原理图伺服阀A口流量方程如下：Cawysusgn(p,-Pi)%lp.-pi l,y02Qi=P2Cawysvsgn(pi-Po)PPi-Po/,ysv 0伺服阀B口流量方程如下：Cawysvsgn(p2-Po)2IP2-Po l,sv 0Q2=PCawysvsgn(ps-P2)P式中：Ca为流量系数；w为阀口面积梯度；ys为伺服阀阀芯位移；p为液压油密度；sgn（）为符号函数；P。为系统工作压力；Pi为液压缸无杆腔油压；P2为液压缸有杆腔油压；Po为系统回油压力。系统供油压力恒定，则伺服阀出口压力恒定，根据流量和压力的关系式，流量和压降成正比，无杆腔的流量变化方程如下：Qi=A,yh+CiPL+CePI+有杆腔流量变化方程如下：Q2=A2yh+CiPL-CeP2+式中：A1、A 2 为无杆腔和有杆腔液压油作用面积；yh为活塞杆位移；C,为液压缸内泄漏系数；PL=171AVPoV10PV20(1)(2)(3)(4)第3期Pi-P2，为负载压力；C。为外泄漏系数；Vio、V2 o为无杆腔和有杆腔初始容积；。为体积弹性模量。液压缸与负载力平衡方程如下：F=ApL=myh+Byh+Kyh+F式中：m为活塞及负载折算到活塞上的总质量；B为活塞及负载的黏性阻尼系数；K为负载弹簧刚度；FL为作用在活塞上的外负载力。1.2.2电液伺服阀模型电液伺服阀是导叶执行机构的核心部件，具有动态响应速度快、控制精度高、结构精密等特点,其工作原理是通过控制输人电流大小来调节阀口开度，从而控制负载流量，驱动液压作动筒运动。本文选用的是双喷嘴挡板力反馈两级电液伺服阀，第1级为喷嘴挡板阀前置放大级，第2 级为滑阀功率放大级。为了简化系统动态特性，将电液伺服阀的传递函数用二阶振荡环节描述,其传递函数为：Gi(s)=g()i（s)式中：K。为伺服阀流量增益；为伺服阀阻尼比；W，为伺服阀固有频率。位置控制器采用PID控制,其表达式为：de(t)u(t)=K,e(t)+K.Je(t)t+Kadt式中：u(t）为控制信号；e(t）为位置反馈误差；Kp、K、K 为控制器参数。1.2.3切换活门模型切换活门用于控制2 路伺服阀出口至液压缸的油量分配,其为两位三通高频响比例阀,具有响应速度快、结构简单等优点。其控制信号为脉冲宽频调制（PulseWideModulation,PWM）信号，根据占空比大小来控制活门的开度。以占空比为输人信号、流量为输出信号，切换活门的传递函数为：KG2(s)=Q()=Te-(T1+T2)sT()T.s+1e式中：T为占空比；T1、T、T，分别为切换活门的调制周期、启动延迟时间和阀芯运动时间常数；Kgh为流量增益。1.2.4导叶连杆模型根据图1中的连杆几何关系，由LVDT测得的连杆水平位移与活塞杆水平位移成正比关系，172燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究可通过LVDT测得的值计算得到活塞杆的实际位移：hyh=y(1(5)作动筒的伸缩速度由LVT测得,其随电液伺服阀开度变化的数学模型为：Pi:A,-P2:A,-FLUh=kv式中：yi为活塞杆水平位移；y为LVDT测得的连杆水平位移；hl、h 为连杆臂的长度；Uh为作动筒的伸缩速度；k，为作动筒的速度摩擦因数。2控制器设计2.1模糊切换控制原理在重型燃气轮机双余度导叶执行机构的切换控制策略中，传统阈值切换容易对系统造成较大的扰动。为实现平顺无扰的切换，使导叶快速、稳K定地响应，将其调节至指定角度,本文在主备伺服(6).2S2+(9)(10)25阀同步工作的基础上，采用基于模糊规则的切换s+1控制策略来实现燃气轮机导叶执行机构双余度伺服阀从主控到备份的平稳切换，其控制原理如图4所示。x/v(7)ePID控制器位置，a指令elv模糊切换控制器1-aePID控制器图4模糊切换控制原理图图4中，主控通道和备份通道分别采用PID实现位置闭环控制。当主控伺服阀发生故障，如喷嘴堵塞、阀芯卡滞时，根据文献2 0 的分析可知通过导叶作动筒的位移偏差e和作动速率U可提取故障特征,其表现为位移偏差增大，响应迟(8)滞，无法跟踪指令信号。因此可将这2 个量作为模糊切换的指标,在LVDT的基础上增加一个LVT线性速度传感器来测量作动筒的作动速度。以e、作为模糊切换控制器的输人参数，经过模糊推理后输出模糊切换因子，将其用于调控2个PID控制器的输出UpID1、U p ID 2，得到主、备伺服阀的驱动信号u=UpIDIuz=（1-)UpID2,切u主控伺服阀1-a切换导叶活门动筒备份伺服阀燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究换活门的控制信号u=1，其中的论域为(0,1。其工作原理为：当作动筒位移偏差小且速度小、位移偏差大且速度大时，切换因子取值在1附近,则u2、u s 在0 附近,系统由主伺服回路控制。当作动筒位移偏差大且速度小、位移偏差小且速度大时，认为主控伺服阀发生故障,故障程度越大，取值越小,则u越小，uz、u s 越大。此时根据图1使切换活门左移，主控通道逐步关闭，逐渐接通备份伺服阀油路，进行压力和流量补偿，从而使液压缸活塞响应，移动到指定位置。当取值为0 时u，为0,将切换活门移至最左端，主控通道完全关闭，系统完全由备份伺服回路控制。在切换过程中，由于切换因子的作用,输送给导叶作动筒的压力和油量是由主控伺服阀逐步向备份伺服阀过渡的，这使得系统不至于出现从0 到1的突变,从而使系统免于冲击与振荡。2.2模糊规则本文设计的模糊切换控制器如图5所示，其为二输入单输出的二维模糊控制器，其输入参数为作动筒的位移偏差e和作动速率，输出参数为切换因子，采用mamdani方法进行模糊推理。eV本文对输入信号e、和输出信号进行模糊化和解模化。位移偏差e的模糊集合为（NB，NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB,模糊论域为-3,-2,-1,-0.5,0.5,1,2,3;作动速率的模糊集合为iNB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB,模糊论域为-3，-2，-1,0,1,2,31。由于重型燃气轮机长期在高温、高速、变负荷等复杂工况下运行，电液伺服阀经常发生喷嘴堵塞、阀芯卡死等不可逆故障，如果故障严重，将直接导致导叶执行机构不动作或失控。为避免主控通道发生的故障对备份通道的控制产生影响，需通过切换活门来切除故障油路，让备份伺服阀来控制导叶作动筒，因此切换因子的模糊论域在0 和1附近需要取得相对密集。切换因子的基本论域为10,1,其模糊集合为/VS,MS,NS,S,M,NB,B,MB,VB),模糊论域为0,0.0 5,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,0.9 5,11。热力透平输入变量e和、输出变量的隶属度函数如图6所示。NB1.00.5-3NB1.00.50-3VSMSNS1.00.50根据文献2 1 可知,高斯型隶属度函数比线性模糊切换规则推理图5模糊切换控制器NM-2NM-20.10.20.30.40.50.60.7(c)的隶属度函数图6 输人输出变量的隶属度函数隶属度函数更有利于抑制切换给系统造成的波动。所以本文选用高斯型隶属度函数来描述各变量的模糊集合，并采用重心法进行解模化，计算如下：uA(z)zdzZCENJuA(z)dz式中：z为语言变量值；zcEN为清晰量输出；A(z)为隶属度函数。基于以上分析，根据模糊切换原理以及专家经验，编写56 条模糊控制规则，如表1所示。表1模糊控制规则e/uNBNMNSZOPSNBVSVSNMVSNSMSMSNZMSPZMSPSSPMBPBMBNS-1(a)e 的隶属度函数NSZO-10(b）的隶属度函数SMVSVSMSVSVSSSNSVBMBMMMBVBNSNBBBSVsVSVSBMSVSNZPZ0PS1NB0.80.91.0(11)PMPBBMBVSSSBNBSSSVSPS1BMSVSPM2PM2BMBVEBSMSMSMSVSVS173PB3PB3第3期3仿真与结果分析3.1仿真过程本文利用Amesim和Simulink软件对所提出的模糊切换控制进行联合仿真分析。在Amesim中搭建导叶执行机构模型，如图7 所示，在Simu-link中搭建控制系统模型,如图8 所示。将Ames-im测得的活塞杆位移偏差和速度作为MATLAB模型的输人参数，由MATLAB通过PID控制器和模糊切换控制器得出控制量ui、u z、u s，作为Amesim模型的输人参数。K中FuzzySwitchu3PID1ulPID2u2图7Amesim导叶执行机构模型PID(s)1PID1mcenterAmesim12Group1alSignal Builder在Amesim中设置导叶执行机构模型的各主要元件仿真参数：油源压力6 MPa，伺服阀各油口最大开度流量8 0 L/min,压降2 MPa,伺服阀阻尼比0.8，自然频率8 0 Hz，伺服阀和切换活门控制电流40 mA，作动筒行程50 0 mm，液压缸活塞直径8 6 mm，活塞杆直径45mm，负载质量150 kg。在Simulink中设置PID控制器参数：Kp=150，Ki=2.4,Kd=0。由于伺服阀和切换活门的控制电流是40 mA,所以增益 K1=K2=-40,K3=40。将采用模糊切换的方式与采用阈值切换的方式进行对比。根据重型燃气轮机实际运行情况，174燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究作动筒在运行过程中最大可容忍全行程2%的偏差，故采用阅值切换方式时，设定切换阈值为10mm。当位移偏差超过这一阈值时，通过控制切换活门直接将供往液压缸的油路由主控伺服阀切换到备份伺服阀。采用模糊切换时，不需要设定切换阈值，当主控伺服阀发生故障时，通过监测作动筒的位移偏差和速度，自动调控切换活门控制信号的大小,将供往液压缸的油路逐渐过渡到备份伺服阀。3.2伺服阀正常运行在无故障模式下，主备伺服阀同时运行，输出流量给液压作动筒。该工况下作动筒的阶跃响应和位置跟踪仿真曲线如图9所示。作动筒导叶W切换活门主控备份D山伺服阀伺服阀?冈co-Sirqiehuan05u31Fuzzy_SwitchControllerPID(s)PID2图8 MATLAB/Simulink控制系统模型600500u/4003002001000600500400300200导叶控制机构1000图9作动筒阶跃响应和位置跟踪仿真曲线如图9(a)所示,在0 s 时给定期望阶跃输人500mm,系统在1.7 s时达到稳定，稳态误差为0，且无超调。如图9(b)所示，使作动筒按照速度=100 mm/s、周期T=12 s的梯形信号往复运动，跟踪误差小于2.5mm，这验证了本文设计的模糊切换控制器的有效性。3.3伺服阀单向卡滞在仿真试验开始后14 s时，通过切断主控伺服阀PID控制信号来模拟阀芯突然卡死的故障。将模糊切换方法的仿真结果与阈值切换方法进行152时间/s(a)阶跃响应48566.16.21015时间/s(b)期望跟踪3420525燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究对比，作动筒位移、作动筒速度、无杆腔压力、有杆腔压力的仿真结果如图10 所示。600225215500205u/T4003002001000300200(,5.wu)/率1000-100-20003.53.02.52.01.52.21.02.00.51.8054/3210图10伺服阀单向卡滞故障仿真结果热力透平如图10(a)所示,采用阈值切换时，作动筒位移误差为13mm，波动幅值为6.1%，波动时间为0.4s,位移误差较大，可能导致压气机喘振。而一目标位置采用模糊切换的方法时，作动筒位移误差为1.9一模糊切换一阅值切换1951414.114.2510时间/(a)作动筒位移11510595857514414.214.4510时间/(b)作动筒速度-1414.214.4510时间s(c)无杆腔压力3.02.52.013.814.0 14.2,14.4510时间s(d)有杆腔压力mm，波动幅值为1%波动时间为0.2 5s，位移误差降低了5.1%，采用该切换方法不会对压气机的性能产生影响。如图10(b)所示，采用阈值切换时，作动筒的速度在-190 +2 8 4mm/s范围内波动，波动幅值最大达153%，波动时间为0.4s。而采用模糊切1520一模糊切换一阅值切换1520一模糊切换一阅值切换1520一模糊切换一阅值切换152025252525换时，作动筒速度的波动幅值为2 0%，波动时间为0.2 s，相比阈值切换方法，波动大幅降低，抑制冲击效果明显。如图10（c）、（d)所示，当采用阈值切换时，系统检测到位移误差大于10 mm后，切换活门瞬间从全关切换到全开状态，给系统造成较大冲击，无杆腔压力pi在0.6 3.2 MPa范围内波动，波动幅值最大到7 6.7%，波动时间为0.3s。有杆腔压力P2在1.7 4.4MPa范围内波动，波动幅值最大达96.8%，波动时间为0.3s。而采用模糊切换时，由于切换因子的作用，切换活门逐步切换至备份伺服阀工作，故障通道逐步被隔断，不至于出现从0 到1的状态突变，无杆腔压力波动幅值为22.2%，波动时间为0.2 s;有杆腔压力波动幅值为31.1%，波动时间为0.15s。相比阈值切换方法，采用模糊切换方法计算的无杆腔压力波动幅值降低了54.5%，该方法能够很好地抑制电液伺服阀切换给系统带来的冲击振荡，仿真结果验证了本文设计的模糊切换控制器的性能。3.4伺服阀喷嘴堵塞在仿真试验开始后14 s时,通过在Amesim中将主控伺服阀喷嘴内径参数置零来模拟喷嘴堵塞。该故障工况的仿真结果如图11所示。600215F210500205200/4003002001000-目标位置模糊切换一阅值切换19514510时间/s(a)作动筒位移14.1152025175第3期200150(s.wu)/率100500-50-100-15003.53.02.52.01.52.01.01.80.51405(c)无杆腔压力54/322.312.21405(d)有杆腔压力图11伺服阀喷嘴堵塞故障仿真结果在图11（a)中,采用阈值切换方法计算的作动筒的位移误差最大为14mm，波动幅值为6.6%，波动时间为0.4s，导叶角度瞬时误差增大，进气量和进气方向均有较大偏差，这将对压气机性能产生影响。而采用模糊切换方法计算的作动筒位移误差为1.9mm，波动幅值为0.9%，相比于阅值切换方法波动幅值降低了5.7%，波动时间为0.15s。由于伺服阀切换过程中作动筒的位移误差始终小于2 mm,且波动时间很短，因此切换过程不会对系统造成冲击。在图11(b)中,采用阈值切换方法计算的作动筒的速度在-12 17 6 mm/s范围内波动,波动幅值最大为112%，波动时间为0.4s。而采用模176燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究糊切换方法计算的作动筒速度波动为9.7%，波一模糊切换一阅值切换1414.214.4510时间s(b)作动筒速度14.214.410时间s14.210时间/s动时间为0.1s,相比阈值切换方法，波动大幅降低，抑制冲击效果明显。在图11(c）、（d)中,采用阈值切换的方式,由于主控阀瞬间关闭，A口流量减小，当作动筒位移误差大于10 mm时切换活门，输入电流瞬间从0mA升至40 mA，系统切换至备份通道，两腔压力1520一模糊切换阅值切换1520-一模糊切换一阅值切换1520252525波动较大,无杆腔压力在1.4 2.6 MPa范围内波动，波动幅值最大达41.1%，波动时间为0.4s。有杆腔压力在1.3 2.5MPa范围内波动，波动幅值最大达38.7%，波动时间为0.3s。而采用模糊切换方式，计算得到无杆腔压力波动幅值为7.2%，波动时间为0.2 s;有杆腔压力波动幅值为4.1%，波动时间为0.2 s。相比阈值切换方式，有杆腔压力波动幅值降低了34.6%，实现了平稳切换。仿真结果验证了模糊切换策略容错的有效性。4结 论本文为解决重型燃气轮机电液伺服阀发生故障时切换备份给系统带来的冲击问题，以双余度导叶执行机构为研究对象，基于模糊规则的方法设计了一种模糊切换控制策略，并针对伺服阀单向卡滞、伺服阀喷嘴堵塞2 种典型故障工况进行仿真分析，得到以下结论：1)仿真对比结果显示采用模糊切换的方式能够有效削弱主备伺服阀切换过程对导叶作动筒位移、速度和两腔压力造成的振荡以及冲击，该切换策略具有理想的容错效果；2)从切换过程中导叶作动筒的位移、速度和两腔压力曲线可以看出，采用传统阈值切换的方式，各物理量在切换点位置波动明显，而采用模糊切换的控制策略能使各物理量的波动大幅减小，使作动筒位移误差降至2 mm以下，波动幅值比阈值切换方法降低5%,且在0.3s内就能快速收敛，实现双余度之间的平稳切换。该方法对于压气机防喘，提高重型燃气轮机在复杂工况下的安全性和可靠性具有重要意义，同时该方法也可推广到航空发动机燃油计量活门的余度切换控制,具有一定的实际工程应用前景。参考文献：燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究1 WANG S,XIANG J,ZHONG Y,et al.A data indicator-baseddeep belief networks to detect multiple faults in axial pistonpumps J.Mechanical Systems and Signal Processing,2018,112:154-170.2 ZHANG P,CHEN X.Internal leakage diagnosis of a hydrauliccylinder based on optimization DBN using the CEEMDAN tech-niqueJ.Shock and Vibration,2021,2021:8856835.3 IJAZ S,YAN L,HAMAYUN M T,et al.Active fault tolerantcontrol scheme for aircraft with dissimilar redundant actuationsystem subject to hydraulic failure 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