在民用航空领域，贫燃预混预蒸发燃烧技术被广泛用于提高燃烧效率并减少污染物排放[1,2]。然而，这种技术容易在航空发动机中引起燃烧振荡[3]，从而严重威胁推进系统的安全性和可靠性[4,5]。实证研究表明，基于高频燃油流量调节的主动控制方法是抑制燃烧振荡最有效和实用的方法[6]。但这些方法要求燃油阀能够调节高频和大幅度的燃油流量，同时保持紧凑的设计并耐受高温环境。传统的电磁驱动燃油阀无法满足这些严格的要求[7,8]。
磁致伸缩执行器以其简单的设计、高能量密度和快速频率响应而著称，被广泛应用于能量转换[9]、主动振动抑制[10]和流体控制[11]等领域，尤其是在高频流体控制场景中[12]。值得注意的是，基于磁致伸缩执行器的高频燃油阀已在燃烧振荡的主动控制地面测试系统中得到应用[13]。然而，这种燃油阀的整体长度达到45.7厘米，对其在实际航空发动机中的集成带来了显著挑战。
在我们之前的研究中，设计并开发了一种基于多维离散磁致伸缩执行器（MDMA）的双旋塞燃油阀（DSFV）[14,15]。该阀门具有内旋塞和外旋塞，两者均可进行轴向位移，共同调节阀门开度。内旋塞由MDMA驱动，能够调节高频、小幅度的流量以满足燃烧振荡的主动控制需求；而外旋塞由音圈电机（VCM）驱动，产生低频、大幅度的流量以满足传统航空发动机的燃油供应需求。DSFV的紧凑长度为13.9厘米，实验评估表明，在120°C的环境温度下，内旋塞的位移达到101微米，频率带宽超过1000赫兹，位移衰减小于13%[16]。此外，基于DSFV原型和高频燃烧振荡模型的半物理实验表明，DSFV能够在不同工作条件下有效抑制多模态燃烧振荡[17]。这些发现突显了DSFV在航空发动机燃烧振荡主动控制系统中应用的巨大潜力。
为了实现DSFV的高频和高精度流量控制，实时监测内旋塞的位置至关重要。传统的旋塞位置测量方法主要依赖于位移传感器；然而，这些技术受到集成复杂性和结构要求的限制。磁致伸缩材料具有磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应，为测量位移、输出力和应力等参数提供了有前景的自感应能力。目前，这一领域已进行了大量研究，详细信息见表1。
在磁致伸缩执行器的参数自感应研究中，现有技术主要依赖于从感应或激励线圈获得的自感应信号，然后基于理论模型进行离线参数重建。尽管这些方法实现了高重建精度，但其适用性主要限于准静态或低频场景，尚未有效扩展到高频应用。值得注意的是，航空发动机中燃烧振荡的主导频率通常超过500赫兹[28]，要求燃油阀能够在这一阈值以上调节燃油流量。因此，实现内旋塞的高频位移自感应对于确保DSFV的功能集成、紧凑性和可靠性能至关重要。
基于能量传递过程的自感应位移理论模型具有较高的模型复杂性和有限的计算效率，这阻碍了其满足高频位移实时监测的需求。此外，感应线圈产生的自感应信号相对于位移信号存在相位滞后，限制了该理论模型在实时在线计算中的应用。为了解决这些限制，人们广泛采用了替代建模方法来表示复杂系统，因为它们具有更好的计算效率和灵活的数据驱动特性。常见的建模技术包括线性回归[29,30]、随机森林[31,32]、支持向量机[33,34]、高斯过程[35,36]和神经网络[37,38,39]。其中，线性回归的拟合精度有限，无法充分捕捉非线性动态；而随机森林、支持向量机、高斯过程和深度神经网络虽然具有较高的拟合精度，但计算效率较低，同样难以满足高频应用的实时需求。相比之下，浅层神经网络在计算效率和拟合精度之间取得了良好的平衡，成为开发实时自感应位移预测模型的首选方法。
因此，为了实现DSFV内旋塞的非接触式高频位移测量，本研究提出了一种使用MDMA内部轴向排列的四组感应线圈的自感应位移方法。首先，基于能量传递过程开发了一个理论模型来解释自感应位移的基本原理。其次，为了解决理论模型在高频位移实时监测方面的局限性，提出了一种实时位移自感应替代模型（RDSSM），该模型采用了双层多层感知器（MLP）网络。提出的RDSSM通过五个连续时间间隔内四组不同感应线圈的采样数据来预测自感应位移。此外，应用离散小波变换（DWT）算法从输入电流序列中提取近似系数和细节系数，从而提高了RDSSM的精度。最后，对内旋塞进行了高频位移闭环控制实验，验证了RDSSM可以有效替代传统的位移传感器，实现内旋塞位置的精确自感应、反馈和控制。
本文的其余部分结构如下：第2节介绍了DSFV和MDMA的结构，并详细分析了MDMA的位移形成和自感应机制。第3节解释了自感应位移的理论模型和RDSSM。第4节展示了DSFV的物理原型和实验平台，通过实验评估了理论模型和RDSSM的建模精度。第5节进行了闭环控制实验，以验证RDSSM在闭环控制应用中的准确性和有效性。最后，第6节提供了结论。
