火箭舵机多自由度电液负载模拟系统频率特性研究

发布时间：2020-11-06 00:35

　　 负载模拟系统是火箭舵机的重要地面测试设备之一,其在实验室条件下复现火箭舵机所受的各种载荷,完成舵机的动静态特性的测试工作。为适应新一代具有双谐振点矢量发动机的测试工作,需要建立更加准确的具有双谐振点负载特性的多自由度负载模拟系统,并分别对非线性摩擦负载和系统谐振峰的抑制进行深入的研究。本文首先根据摆动式推力矢量发动机的质量分布和柔性结构两个方面建立了完整的多自由度负载模拟系统的数学模型,并从频域角度深入分析了惯性负载质量对多自由度负载模拟系统双谐振峰的影响,为不同谐振特性的舵机测试提供了谐振峰频率点可调的手段。并采用描述函数的方法对系统的非线性摩擦负载谐波线性化,从理论上分析了摩擦负载对系统稳定性的影响,得到了含有非线性摩擦负载的多自由度负载模拟系统仍具有很好的稳定性的结论,并给出了存在非线性摩擦负载情况下系统的幅频特性方程、相频特性方程,进一步揭示了非线性摩擦负载对系统动力学特性影响的机理和规律,发现了非线性摩擦负载不会影响系统的谐振点频率,对谐振点处的谐振峰幅值影响比较显著。然后,本文分析了多自由度负载模拟系统双谐振频率特性产生原因,结合陷波补偿控制器的相关理论,给出了基于中心频率、带宽和衰减深度三个参数的陷波补偿控制器,针对具有双谐振点的系统设计了抑制谐振峰的单谐振峰补偿控制器和双谐振峰补偿控制器,并通过仿真验证了单陷波补偿控制器的具有更好的谐振峰抑制效果。最后,通过多自由度负载模拟系统工作原理,建立了系统的AMESim仿真模型,并结合负载模拟台的实际参数进行设置与校核。通过AMESim仿真和试验研究相结合的方式对非线性摩擦负载以及谐振峰抑制理论加以验证,验证性仿真和试验结果不仅验证了惯性负载对舵机谐振点频率调节的可行性,单陷波补偿对系统谐振峰抑制的有效性,而且验证了在非线性摩擦加载下系统的稳定性以及摩擦负载对系统的幅频响应的影响。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V416.8
【部分图文】：

Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｒｕｓｔ?ｖｅｃｔｏｒ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ??运载火箭推力矢量控制（Ｔｈｒｕｓｔ?Ｖｅｃｔｏｒ?Ｃｏｎｔｒｏｌ，?ＴＶＣ）系统是火箭控制系统??除发动机外功率最大的设备，其动态特性复杂、质量大、工作环境恶劣，并且对??其稳态、动态控制性能的要求较高。图１－１是推力矢量机构在运载火箭上的结构??分布图，运载火箭推力矢量发动机由四个带有推力矢量装置的喷管组成，每一个??喷管都有一套单独的伺服舵机系统来控制其摆动，每一个推力矢量装置都在单一??的方向上摆动一个矢量发动机喷管，依靠四个独立的推力矢量伺服装置同时对四??个喷管的摆动方向和角度进行组合控制，可以同时实现火箭的俯仰、偏航和滚动??三种姿态的综合控制［３］。当Ａ和Ｃ两套推力矢量装置同时朝向一个方向摆动同一??个角度时，可以实现火箭箭体的俯仰控制。当Ｂ和Ｄ两套推力矢量装置同时朝一??个方向摆动同一个角度时，可以对火箭箭体进行偏航控制，当四套推力矢量伺服??装置同时顺时针或者逆时针方向摆动时，可以实现箭体的滚动控制。另外，当Ａ??和Ｃ?（Ｂ和Ｄ）推力矢量伺服系统摆动喷管不同的角度时，不仅会使火箭箭体发??生俯仰（偏航），而且会使箭体产生滚动。因此，对推力矢量装置进行深入研宄??具有很重要的意义，对于提高火箭发射成功率以及精准的火箭姿态控制具有重要??

?＾???是提高我国的航天竞争力和载人航天水平的基础。??到二＾一世纪的今天，国外新一代大推力矢量发动机逐渐开始投入使用，如??美国洛克希德马丁公司的宇宙神５型运载火箭，一子级采用俄罗斯和美国联合研??制的ＲＤ－１８０火箭发动机，最大推力高达４２３吨，降低了?１／４发射成本［Ｍ。大推??力火箭发动机的使用不仅极大的提高了运载火箭的整体性能而且降低了发射成本。??这种形势下，研制新一代大推力液体火箭发动机和相关测试设备显得格外迫切。??

—?＿??气?ｐｕｅｊ?ｈｉ????＾??ｉ?＼?ｊ?＼?ｐｕｍｐ?／?＼?＼??Ｉ?＼?＼?Ｉ?＼＼??图１－２ＲＤ－１８０火箭发动机??Ｆｉｇ．?１－２?ＲＤ－１８０?ｒｏｃｋｅｔ?ｅｎｇｉｎｅ??随着我国科技的不断发展和进步，我国正在研制以“ＣＺ－５”型火箭代表的新一代的大推力运载火箭系列，与现役型号相比，新一代运载ＴＶＣ系统的发动机推力、重量明显增加，ＴＶＣ系统输出功率成倍增加，一伺服回路”负载频率低，并且具有双谐振峰等特点［８＿１１］。为适应新一力火箭发动机所面临的严峻考验，需要建立更加准确的火箭推力矢量机模型，保证大推力火箭发动机稳定的按照既定的轨迹平稳运行。??
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本文编号：2872416