新型负载模拟器摩擦副及控制策略研究

发布时间：2017-10-12 23:24

  本文关键词：新型负载模拟器摩擦副及控制策略研究

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【摘要】：舵机负载模拟器属于地面加载设备中的一种,用以模拟飞行装置飞行时舵机受到的空气力矩载荷谱。负载模拟器的加载性能好坏,可以通过其对实际空气力矩的复现精确度来评价。随着各国在航天航空领域的长足发展,高精度的负载模拟器更加受到重视,因此研制高性能负载模拟器对航天航空事业具有重要意义。十几年间,传统负载模拟器无法消除的多余力一直制约其性能的提高,所以多余力矩的抑制成为国内外研究的重点,目前结构补偿和控制补偿抑制效果都不尽如人意。本文利用摩擦加载原理设计的新型负载模拟器,加载形式由被动变为主动,理论上能实现多余力矩完全消除。承接已有研究成果,针对新型负载模拟器理论研究不充分的问题,进行以下研究工作:首先,对新型负载模拟器摩擦力矩进行理论研究,为后续控制器设计提供依据。分析传统摩擦力矩简单积分的计算方法,根据摩擦磨损原理,提出修正的摩擦力矩计算公式,分别应用于圆环式、圆盘式、扇形式三种摩擦盘结构;应用仿真软件初步验证该公式的合理性,并讨论摩擦盘结构参数对摩擦力矩波动的影响。其次,对加载系统摩擦盘温度场进行研究,为摩擦盘设计提供参考。针对加载过程中摩擦热问题,结合传热学原理,建立摩擦盘的瞬时温度场方程,分析传热过程中相关参数之间的关系;利用热力学仿真软件解算摩擦盘加载过程的热—机耦合问题,讨论各加载条件对温度场和摩擦力矩波动影响;提出尺寸因子概念,利用仿真软件初步验证其对摩擦盘温度场预估的可行性。最后,对负载模拟器进行系统建模和实验研究。对比线性和非线性系统模型,分析简化模型的可靠性;针对前文得到摩擦力矩波动的特点,以及未校正系统对外部干扰抑制较差的缺点,设计可靠且实用的内模控制器,与PID控制进行仿真比较,验证内模控制器对加载性能提升效果。进一步改进内模控制器,设计鲁棒性更佳的双口内模控制器以抑制摩擦力矩波动,分析其在信号跟踪精度、干扰抑制率、参数变化适应性方面的表现。利用负载模拟器样机进行实验研究,讨论该样机的性能,实验验证内模控制器较PID控制器在静态和动态加载性能的提升效果。
【关键词】：负载模拟器 摩擦力矩 瞬时温度场 内模控制 xPC实时仿真
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V216.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景和意义10
• 1.2 传统负载模拟器研究现状10-13
• 1.2.1 国外电液负载模拟器的研究成果11
• 1.2.2 国内电液负载模拟器的研究成果11-13
• 1.2.3 传统负载模拟器多余力矩研究概述13
• 1.3 国内外摩擦盘研究现状13-17
• 1.3.1 摩擦模型研究现状13-14
• 1.3.2 摩擦盘的研究现状14-15
• 1.3.3 摩擦盘温度场研究现状15-17
• 1.4 本文主要研究内容17-18
• 第2章 新型负载模拟器摩擦力矩分析18-28
• 2.1 引言18
• 2.2 系统加载原理与技术指标18-19
• 2.3 摩擦力矩计算19-27
• 2.3.1 不同结构摩擦力矩理论计算20-22
• 2.3.2 修正摩擦力矩计算结果22-23
• 2.3.3 修正计算模型结果验证23-25
• 2.3.4 结构参数对摩擦力矩影响25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 摩擦盘热—机耦合分析28-44
• 3.1 引言28
• 3.2 摩擦盘摩擦生热机理28-30
• 3.2.1 接触分析理论28-29
• 3.2.2 接触面的摩擦生热理论29-30
• 3.3 热传导理论30-34
• 3.3.1 导热机理30
• 3.3.2 温度场数学表达式30-32
• 3.3.3 定解条件32-33
• 3.3.4 热机耦合求解方法33-34
• 3.4 摩擦副有限元仿真34-43
• 3.4.1 基本假设和分析过程34
• 3.4.2 摩擦盘结构尺寸与材料参数34-35
• 3.4.3 接触属性分析35-37
• 3.4.4 加载压力对圆环式摩擦盘温度场影响37-40
• 3.4.5 相对转速对摩擦盘温度场影响40-41
• 3.4.6 圆盘式结构的尺寸因子与温度场关系研究41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 系统建模与控制策略研究44-66
• 4.1 引言44
• 4.2 新型负载模拟器数学建模44-52
• 4.2.1 动力机构建模44-49
• 4.2.2 摩擦环节建模49-50
• 4.2.3 其他环节建模50-52
• 4.3 新型负载模拟器系统性能分析52-55
• 4.3.1 系统基本控制策略仿真52-54
• 4.3.2 影响新型负载模拟器加载性能因素分析54-55
• 4.4 新型负载模拟器内模控制策略研究55-65
• 4.4.1 基本内模控制器设计55-59
• 4.4.2 双口内模控制原理59-60
• 4.4.3 负载模拟器双口内模控制仿真研究60-62
• 4.4.4 不确定参数对系统影响62-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 负载模拟器试验研究66-73
• 5.1 引言66
• 5.2 实验系统组成66-67
• 5.3 加载实验研究67-72
• 5.3.1 系统固有干扰实验研究67-69
• 5.3.2 负载模拟器静态加载实验69-71
• 5.3.3 负载模拟器动态加载实验71-72
• 5.4 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-79
• 攻读学位期间发表的学术论文79-81
• 致谢81

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本文编号：1021525