电动负载模拟器的控制方法研究

发布时间：2017-07-19 16:29

  本文关键词：电动负载模拟器的控制方法研究

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【摘要】：负载模拟器可以在实验室环境下模拟飞行器舵机在飞行过程中受到的各种力矩,是对飞行器舵机的性能进行测试分析的重要地面仿真设备。为了保证测量精度,负载模拟器应满足加载精度高、响应速度快、抗干扰能力强等要求,然而在实验室条件下,因舵机和负载模拟器机械连接而产生的多余力矩,以及客观存在的各种非线性因素,必然会影响系统的动态响应和跟踪精度,因此如何抑制系统的多余力矩,并在此基础上提高系统的动态性能是负载模拟器的重点研究内容。为了提高电动负载模拟器的加载精度和动态性能,论文在分析系统工作原理的基础上,建立系统的数学模型,深入分析系统的加载误差来源以及转动惯量、扭转刚度、摩擦非线性和间隙非线性等因素对负载模拟器精度的影响,并针对不同类型的加载误差提出了相应的控制方法。其中,针对系统自身动态性能引起的加载误差,利用超前校正和微分先行PID复合控制方法提高了系统的稳定性和跟踪精度;针对多余力矩的干扰,分别将舵机角位移、负载模拟器角速度和舵机电流作为干扰信号,采用基于结构不变性的前馈补偿法对其进行抑制;针对摩擦、间隙等非线性因素对系统精度的影响,采用基于小波神经网络的PID控制器和间隙逆模型对其进行了补偿。最后,结合负载模拟器的性能指标,分别对负载模拟器的不同工作状态进行仿真分析。仿真结果表明,加入控制算法后,系统的静、动态特性均得到了改善,多余力矩得到了很好的抑制,同时对于摩擦和间隙非线性的补偿效果进行了仿真分析,仿真结果验证了论文中相应的控制算法的有效性。
【关键词】：电动负载模拟器 多余力矩 前馈补偿 小波神经网络
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 课题背景10
• 1.2 负载模拟器概述10-14
• 1.2.1 负载模拟器的国内外发展现状11-13
• 1.2.2 负载模拟器的评价指标13-14
• 1.3 负载模拟器的控制方法研究14-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-18
• 2 电动负载模拟器的设计与建模18-26
• 2.1 电动负载模拟器的工作原理18-19
• 2.2 电动负载模拟器系统的数学模型19-23
• 2.2.1 电动负载模拟器的数学模型19-21
• 2.2.2 舵机的数学模型21-22
• 2.2.3 系统的综合数学模型22-23
• 2.3 器件选型23-25
• 2.3.1 电机的选型23
• 2.3.2 扭矩传感器的选型23-24
• 2.3.3 光电编码器的选型24
• 2.3.4 工控机的选型24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3 电动负载模拟器的精度影响因素分析26-38
• 3.1 多余力矩研究26-28
• 3.1.1 多余力矩定义26-27
• 3.1.2 多余力矩产生原因27-28
• 3.2 转动惯量对系统影响28-30
• 3.2.1 转动惯量对前向通道的影响28-29
• 3.2.2 转动惯量对多余力矩的影响29-30
• 3.3 刚度对系统的影响30-34
• 3.3.1 等效转动刚度的计算31-32
• 3.3.2 扭转刚度对机械谐振的影响32-33
• 3.3.3 扭转刚度对前向通道的影响33-34
• 3.3.4 扭转刚度对多余力矩的影响34
• 3.4 非线性因素对系统的影响34-37
• 3.4.1 摩擦对系统的影响35
• 3.4.2 间隙对系统的影响35-36
• 3.4.3 电机参数对系统的影响36-37
• 3.5 本章小结37-38
• 4 提高电动负载模拟器精度的控制方法研究38-51
• 4.1 前向通道控制器的设计38-43
• 4.1.1 无源超前校正网络39-40
• 4.1.2 微分先行PID校正40-43
• 4.2 多余力矩的抑制43-46
• 4.2.1 基于舵机角位移的前馈补偿43-44
• 4.2.2 基于负载模拟器角速度的前馈补偿44-45
• 4.2.3 基于舵机电流的前馈补偿45-46
• 4.3 非线性因素的补偿46-50
• 4.3.1 摩擦非线性的补偿46-49
• 4.3.2 间隙非线性的补偿49-50
• 4.4 本章小结50-51
• 5 实验与仿真分析51-60
• 5.1 舵机静止时扭矩加载仿真分析51-55
• 5.1.1 静态扭矩加载仿真51-52
• 5.1.2 动态扭矩加载仿真52-55
• 5.2 舵机运动时扭矩加载仿真分析55-58
• 5.2.1 多余力矩抑制能力55-56
• 5.2.2 动态跟踪能力56-58
• 5.3 非线性因素补偿58-59
• 5.3.1 摩擦非线性补偿58
• 5.3.2 间隙非线性补偿58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 6 总结与展望60-62
• 6.1 论文工作总结60-61
• 6.2 未来工作展望61-62
• 参考文献62-66
• 致谢66-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果67-68

【参考文献】

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本文编号：563811