《航空发动机液压伺服系统控制设计原理》针对航空发动机液压伺服系统控制结构与性能正向设计问题，围绕液压伺服系统的控制结构设计、稳态参数匹配、动态性能设计与系统级工程实现展开研究。《航空发动机液压伺服系统控制设计原理》以线性系统状态空间方法为主要理论工具，结合液压流路稳态设计、典型子系统动态建模、频域分析和仿真验证方法，建立了从部件机理、子系统性能到液压伺服系统综合性能的系统化设计范式。
　　《航空发动机液压伺服系统控制设计原理》重点阐述了液压流路的节流特性、等效转换规律、流量压降约束下的设计准则，以及计量、定压、压差、分配和安全等典型子系统的控制结构与稳态参数设计方法；通过状态空间模型、频域响应和型孔图谱等工具，实现了各子系统动态响应与抗干扰性能的设计，形成了面向主燃油和加力燃油伺服系统的控制结构与性能的系统化综合正向设计方法。

目录
**篇 液压伺服系统稳态设计原理
第1章 液压流路的基本规律
1.1 液压流路的节流原理 003
1.2 液压流路的等效转换规律 004
1.2.1 液压流路的流阻 005
1.2.2 串联流路的等效转换规律 005
1.2.3 并联流路的等效转换规律 007
1.2.4 流量与压降的稳态守恒定律 009
1.3 流量-压降约束下的流通性设计准则 009
1.3.1 可流通性判据 009
1.3.2 可流通性主导系数 010
1.4 液压流路的分解与匹配原理 012
1.4.1 液压流路的稳态工作域 012
1.4.2 串联流路的分解与匹配原理 013
1.4.3 并联流路的分解与匹配原理 015
1.5 液压流路的稳态迭代计算方法 017
1.5.1 稳态迭代求解算法 017
1.5.2 串联流路节流特性的迭代计算方法 018
1.5.3 并联流路节流特性的迭代计算方法 022
1.5.4 典型液压桥路节流特性的迭代计算方法 024
1.6 工作介质、温度与型孔几何特征对稳态计算结果的影响 027
1.6.1 工作介质物理特性的影响 027
1.6.2 节流型孔几何特征的影响 028
1.6.3 系统工作温度的影响 029
第2章 液压伺服系统控制结构设计原理
2.1 液压流路与运动活门的基本动力学方程 031
2.1.1 容腔压力动力学平衡方程 031
2.1.2 活门运动动力学平衡方程 033
2.2 被控对象的选取问题 034
2.2.1 压差子系统动力学方程 035
2.2.2 传递函数分析方法 038
2.2.3 状态空间分析方法 041
2.2.4 被控对象的选取准则 043
2.3 液压伺服系统闭环负反馈控制原理 044
2.3.1 活门运动闭环负反馈控制原理 044
2.3.2 容腔压力闭环负反馈控制原理 045
2.4 可控流路结构设计原理 049
2.4.1 单腔可控流路结构设计 049
2.4.2 串联式双腔可控流路结构设计 051
2.5 活门运动控制规律设计与实现原理 054
2.6 容腔压力控制规律设计与实现原理 055
2.6.1 控制活门设计原理 055
2.6.2 控制流路设计原理 060
2.6.3 控制流路和控制活门组合设计原理 065
第3章 典型子系统控制结构与稳态参数设计方法
3.1 计量子系统控制结构与稳态参数设计方法 069
3.1.1 确定设计需求 069
3.1.2 设计被控活门 069
3.1.3 确定设计任务 070
3.1.4 设计控制方案 071
3.1.5 设计位置控制器 071
3.1.6 设计液压原理结构 073
3.1.7 设计稳态参数 075
3.2 定压子系统控制结构与稳态参数设计方法 077
3.2.1 确定设计需求 078
3.2.2 设计被控流路 078
3.2.3 确定设计任务 079
3.2.4 设计控制方案 080
3.2.5 设计压力控制器 080
3.2.6 设计液压原理结构 082
3.2.7 设计稳态参数 082
3.3 压差子系统控制结构与稳态参数设计方法 084
3.3.1 确定设计需求 084
3.3.2 设计被控流路 085
3.3.3 确定设计任务 085
3.3.4 设计控制方案 086
3.3.5 设计压力控制器 090
3.3.6 设计液压原理结构 099
3.3.7 设计稳态参数 104
3.4 分配子系统控制结构与稳态参数设计方法 111
3.4.1 确定设计需求 112
3.4.2 设计被控流路 112
3.4.3 确定设计任务 112
3.4.4 设计控制方案 113
3.4.5 设计压力控制器 114
3.4.6 设计液压原理结构 116
3.4.7 设计稳态参数 118
3.5 安全子系统控制结构与稳态参数设计方法 121
3.5.1 确定设计需求 121
3.5.2 设计被控流路 122
3.5.3 确定设计任务 122
3.5.4 设计控制方案 123
3.5.5 设计压力控制器 123
3.5.6 设计液压原理结构 124
3.5.7 设计稳态参数 124
第二篇 液压伺服系统动态设计原理
第4章 计量子系统动态性能设计方法
4.1 单腔控制计量子系统PID动态响应控制方法 129
vi 航空发动机液压伺服系统控制设计原理
4.1.1 线性模型建立 129
4.1.2 频域特性分析 132
4.1.3 PID控制器参数频域响应动态设计方法 135
4.1.4 单腔控制计量子系统稳态动态性能设计 136
4.1.5 单腔控制计量子系统稳态动态性能仿真 139
4.2 双腔控制计量子系统PID动态响应控制方法 140
4.2.1 线性模型建立 141
4.2.2 频域特性分析 145
4.2.3 双腔控制计量子系统稳态动态性能设计 147
4.2.4 双腔控制计量子系统稳态动态性能仿真 149
第5章 定压子系统动态性能设计方法
5.1 线性模型建立 151
5.1.1 定压流路线性模型 151
5.1.2 镇定控制器线性模型 152
5.1.3 系统线性模型 153
5.2 频域特性分析 154
5.2.1 回路传递函数计算 154
5.2.2 转折频率计算 157
5.2.3 参数设计策略 157
5.2.4 闭环稳定性条件 159
5.3 频域响应动态设计方法 160
5.3.1 稳态点动态特征参数设计 160
5.3.2 系统级动态特征参数设计 161
5.3.3 稳态性能约束条件 162
5.3.4 初始结构参数设计 163
5.4 型孔图谱设计方法 163
5.4.1 规则型孔图谱提取方法 163
5.4.2 型孔图谱设计原理 168
5.4.3 组合型孔图谱设计方法 168
5.5 频域响应图谱设计平台 169
5.5.1 平台设计方案 170
5.5.2 平台设计实例 171
5.6 定压子系统稳态动态性能设计 172
5.6.1 稳态设计 172
5.6.2 动态设计 173
5.7 定压子系统稳态动态性能仿真 177
5.7.1 进口油源压力扰动性能仿真 177
5.7.2 控制容腔压力扰动性能仿真 178
第6章 压差子系统动态性能设计方法
6.1 执行式压差子系统频域响应图谱设计方法 182
6.1.1 线性模型建立 182
6.1.2 频域特性分析 188
6.1.3 频域响应图谱设计方法 197
6.1.4 执行式压差子系统稳态动态性能设计 202
6.1.5 执行式压差子系统稳态动态性能仿真 212
6.2 回油式压差子系统频域响应图谱选型方法 214
6.2.1 线性模型建立 215
6.2.2 频域特性分析 221
6.2.3 频域响应图谱选型方法 230
6.2.4 回油式压差子系统稳态动态性能设计 233
6.2.5 回油式压差子系统稳态动态性能仿真 242
第7章 其他典型子系统动态性能设计方法
7.1 单级分配子系统频域响应图谱选型方法 247
7.1.1 线性模型建立 247
7.1.2 频域特性分析 249
7.1.3 频域响应图谱选型方法 253
7.1.4 单级分配子系统稳态动态性能设计 255
7.1.5 单级分配子系统稳态动态性能仿真 260
7.2 安全子系统频域响应图谱设计方法 262
7.2.1 线性模型建立 262
7.2.2 频域特性分析 264
7.2.3 频域响应图谱设计方法 268
7.2.4 安全子系统稳态动态性能设计 270
7.2.5 安全子系统稳态动态性能仿真 274
第三篇 航空发动机典型燃油伺服系统控制结构与性能设计
第8章 主燃油伺服系统控制结构与性能设计
8.1 主燃油伺服系统控制结构设计 279
8.1.1 各子系统可控流路结构设计 280
8.1.2 各子系统控制方案设计 282
8.1.3 各子系统液压原理结构设计 284
8.1.4 主燃油伺服系统液压原理结构设计 288
8.2 主燃油伺服系统总体性能设计 289
8.2.1 总体性能设计与分解方法 289
8.2.2 总体性能设计与分解 291
8.3 主燃油伺服系统稳态动态性能设计方法 293
8.3.1 分配子系统稳态动态设计算法 293
8.3.2 计量子系统稳态动态设计算法 293
8.3.3 压差子系统稳态动态设计算法 295
8.3.4 定压子系统稳态动态设计算法 296
8.3.5 安全子系统稳态动态设计算法 296
8.3.6 燃油泵流量稳态设计算法 297
8.4 主燃油伺服系统稳态动态性能设计 298
8.4.1 分配子系统稳态动态性能设计 298
8.4.2 计量子系统稳态动态性能设计 300
8.4.3 压差子系统稳态动态性能设计 301
8.4.4 定压子系统稳态动态性能设计 305
8.4.5 安全子系统稳态动态性能设计 306
8.4.6 燃油泵稳态性能设计 306
8.5 主燃油伺服系统稳态动态性能仿真 308
8.5.1 伺服跟踪性能仿真 309
8.5.2 抗干扰性能仿真 313
第9章 加力燃油伺服系统控制结构与性能设计
9.1 加力燃油伺服系统控制结构设计 317
9.1.1 各子系统可控流路结构设计 317
9.1.2 各子系统控制方案设计 319
9.1.3 各子系统液压原理结构设计 321
9.1.4 加力燃油伺服系统液压原理结构设计 325
9.2 加力燃油伺服系统总体性能设计 326
9.3 加力燃油伺服系统稳态动态性能设计方法 327
9.3.1 分配子系统稳态动态设计算法 328
9.3.2 计量子系统稳态动态设计算法 332
9.3.3 压差子系统稳态动态设计算法 332
9.3.4 定压子系统稳态动态设计算法 333
9.3.5 安全子系统稳态动态设计算法 333
9.3.6 燃油流量稳态设计算法 334
9.4 加力燃油伺服系统稳态动态性能设计 334
9.4.1 分配子系统稳态动态性能设计 335
9.4.2 计量子系统稳态动态性能设计 339
9.4.3 压差子系统稳态动态性能设计 340
9.4.4 定压子系统稳态动态性能设计 344
9.4.5 安全子系统稳态动态性能设计 345
9.4.6 燃油泵稳态性能设计 345
9.5 加力燃油伺服系统稳态动态性能仿真 347
9.5.1 伺服跟踪性能仿真 348
9.5.2 抗干扰性能仿真 351
参考文献 355
附录 状态空间建模与AMESim线性化方法
附录A 状态空间的基本概念和推导方法 357

**篇液压伺服系统稳态设计原理
　　稳态设计的核心内容是依据液压伺服系统的稳态设计指标，通过设计节流面积，实现系统中压力、流量等关键参数的精确设计，其重点在于液压流路节流特性（流量-压力特性）的设计和稳态控制结构的构建。
　　本书**篇系统地阐述了液压伺服系统稳态设计的基本理论与方法。*先，深入剖析了以节流原理为基础的液压流路基本规律，提出了基于闭环负反馈控制的液压伺服系统控制结构设计原理；随后，详细介绍了计量、定压、压差等典型子系统的液压流路、控制结构与稳态特性设计方法，给出了不同控制目标下的设计范式，从而构建了液压伺服系统稳态设计的系统性理论框架。
　　第1章液压流路的基本规律
　　本章深入剖析了液压流路的稳态数学模型（节流方程）与内在流通规律，系统地研究了液压网络的等效转换规律、流量-压降约束下的流通性设计准则、负载分解与匹配原理及稳态参数的迭代计算方法，提出了从原理设计到参数计算的完整、系统的节流特性综合设计方法。
　　1.1液压流路的节流原理
　　液压流路的节流原理如图1.1所示。图中，Q为油液进口流量；p？、p？分别为节流型孔进、出口油液压力；A为节流型孔面积。
　　当油液流过面积为A、压降为Δp的节流型孔时，其流量为
　　(1.1)
　　图1.1液压流路的节流原理
　　式中，Δp=p？？p？；Cq为流量系数；ρ为油液密度。
　　流量系数Cq是影响稳态计算结果的关键参数，其取值受工作介质、节流型孔几何特征、温度等因素的影响。
　　根据所研究问题的复杂程度，Cq的计算可分为以下两种情形。
　　（1）理想状态。
　　忽略工作介质、黏性效应、温度等因素的影响，将流量系数Cq取为恒定值，即
　　Cq=C{q，max}(1.2)
　　式中，C{q，max}为*大流量系数，可取0.7。
　　（2）非理想状态。
　　考虑工作介质、黏性效应、温度等因素的影响，流量系数Cq的计算公式为
　　Cq=C{q，max} tanh(2 λ/λcrit)(1.3)
　　004航空发动机液压伺服系统控制设计原理
　　式中，λ为流数；λcrit为临界流数。
　　流数λ是影响流量系数Cq取值的关键参数，其计算公式为
　　(1.4)
　　式中，dh为节流型孔的水力直径；v为油液的运动黏度。
　　其中，
　　dh=4 A/l(1.5)
　　v=μ/ρ(1.6)
　　式中，A、l分别为节流型孔的有效面积和有效周长；μ为绝对黏度。
　　临界流数λcrit的取值受节流型孔几何特征、工作介质等因素的影响。例如，对于具有复杂几何特征的节流型孔，λcrit可低至50；而对于具有平滑几何特征的节流型孔，λcrit高达50000。工程中，λcrit的一个合理默认值为1000。
　　根据油液的流动状态（层流和湍流），Cq的取值可分为两种情况：
　　（1）当λ≥λcrit时，Cq取恒定值C{q，max}；
　　（2）当λ<λcrit时，Cq随λ呈非线性变化，如图1.2所示。
　　图1.2流量系数随流数的变化规律
　　1.2液压流路的等效转换规律
　　串、并联是构成液压流路的基本结构。本节阐述了液压流路的等效转换规律与方法，将任意的串、并联组合流路，系统地等效转换为图1.1所示的基本流路模型。这一转换为统一的流量-压力特性分析、负载匹配与参数设计，提供了一个通用的、规范化的分析框架与计算模型。
　　第1章液压流路的基本规律005
　　1.2.1液压流路的流阻
　　对式(1.1)进行变形，当流量为Q的油液流过面积为A的节流型孔时，其压降为
　　(1.7)
　　通过将流量、压降以外的参数进行合并，可建立压降与流量的简单映射关系，该部分参数反映了节流型孔对油液流通的阻力。定义流阻：
　　(1.8)
　　得
　　(1.9)
　　Δp=Q2 R2(1.10)
　　流阻将介质特性（黏度、密度）、节流型孔几何特征及温度波动等多种复杂物理因素的综合效应，归一化为单一参数——流阻R的变化，使得液压流路的稳态模型始终遵循式(1.9)、式(1.10)的统一形式。因此，在节流型孔面积变化、温度影响或介质替换等情况下，系统特性的分析无须重构数学模型，仅需对应地修正流阻R的取值。
　　1.2.2串联流路的等效转换规律
　　串联流路结构如图1.3所示。图中，Q为油液进口流量；p？、p？、 、p？分别为容腔1、2、 、n的油液压力，p{n+1}为出口油液压力；A？、A？、 、A？分别为连通容腔1、2、 、n的进、出口节流型孔面积；V？、V？、 、V？分别为容腔1、2、 、n的体积。
　　图1.3串联流路结构
　　006航空发动机液压伺服系统控制设计原理
　　1.串联流路的基本定律
　　1）流量守恒定律
　　由质量守恒定律可知，在稳定状态下，任何时刻，流过串联流路各节流型孔的流量Qi保持不变，即
　　Q=Qi，i=1，2， ，n(1.11)
　　其中，
　　(1.12)
　　(1.13)
　　Δpi=pi？p{i+1}(1.14)
　　2）压降守恒定律
　　在稳定状态下，任何时刻，串联流路油液总压降Δpe等于流过该流路各节流型孔的油液压降Δpi之和，即
　　(1.15)
　　2.串联流路流量、压降与流阻的计算方法
　　1）油液总压降计算方法
　　由式(1.10)，得
　　Δpi=Q2 Ri2，i=1，2， ，n(1.16)
　　则油液总压降为
　　(1.17)
　　2）流量计算方法
　　设油液总压降为Δpe，当油液流过图1.3所示的串联流路时，其流量为
　　(1.18)
　　3）流阻计算方法
　　将图1.3所示的流路结构等效为图1.1所示的流路结构，设串联流路等效流