舵机电动式加载测试系统多余力矩抑制及其控制策略研究

发布时间：2020-10-16 10:00

　　 舵机电动式加载测试系统主要用来在实验室条件下检测航天航空飞行器如飞机、火箭、无人机等舵机驱动系统的技术性能,将原本在真实环境中进行的实物实验转化为实验室里的仿真实验。随着高机动性和高精确性导弹、无人机等小型高精尖飞行器等核心武器控制性能要求的不断提高,对电动式加载测试系统的加载性能提出了更高的要求。由于电液式加载系统存在伺服阀死区、压力波动、多余力矩抑制效果差等问题,在小力矩加载场合下其加载性能很难保证。为了全面提高小力矩加载场合下舵机加载系统的力矩加载性能,本文以永磁同步伺服电机为执行机构搭建了一台电动式加载测试系统实验样机。在此基础上研究并解决了电动式加载测试系统多余力矩抑制及力矩高精度加载问题,从而提高了30 N?m以下小力矩加载场合中电动式加载测试系统的力矩加载性能,为高性能电动式加载测试系统的研制提供理论依据和实验基础,本文主要从以下几个方面展开研究工作:首先为了研究小力矩场合下舵机加载系统的加载性能,考虑了控制算法的适用性,基于所搭建的实验样机建立了该实验样机的数学模型。为获得数学模型的参数,提出了一个改进的递归最小二乘参数辨识方法。在所获得的数学模型的基础上研究了实验样机开环控制时的基本加载性能。在PID+前馈控制器控制下仿真研究了实验样机的加载性能,仿真结果验证了传统PID控制器及PID+前馈控制器不能满足电动式加载测试系统的力矩加载性能要求。为了获得更好的加载性能,考虑了实验样机的非线性及参数的不确定性等因素,设计了一个模糊自适应鲁棒控制器,并应用该控制器进行了力矩加载仿真研究。仿真结果表明该控制器性能比PID+前馈控制器好,同时说明探索更高性能的控制器能更进一步提高电动式加载测试系统的加载性能。为了设计更高性能的控制器,研究了电动式加载测试系统多余力矩的特点及其构成,通过实验证明了该实验样机的多余力矩不仅与舵机运动的速度、加速度有关,而且在小力矩加载场合下库伦摩擦力矩也是多余力矩的重要组成部分。为了提高控制器的稳定性,引入一种连续摩擦模型替代传统分段摩擦模型,并在此基础上提出一种基于改进Cuckoo Search algorithm(ICSA)算法的连续摩擦模型等效方法,获得了该连续模型的数学表达式。为了优化控制器的结构并提高稳定性,在不影响控制性能的前提下,对获得的摩擦模型的数学表达式进行了近似等效简化。根据所建立的实验样机的数学模型并考虑实验样机的不可测变量及强外部干扰等因素,设计了一个基于T-S模糊模型的包含系统非线性及舵机运动干扰的状态观测器。同时,在此状态观测器基础上结合获得的连续摩擦模型,提出了一个基于T-S模糊模型的鲁棒H_∞输出反馈控制方法来抑制实验样机的多余力矩。利用Lyapunov理论证明了该控制器是一致渐进稳定的。实验和仿真证明了该方法对多余力矩抑制的有效性。实际控制系统的模型参数往往随时间、温度、元器件老化磨损等外界因素发生变化。另外,输出反馈控制器存在的执行器输出信号饱和问题也会影响控制器的稳定性。针对这些因素严重影响实验样机力矩加载性能的问题,设计了一个基于神经网络和线性微分包含(LDI)结合的鲁棒H_∞输出反馈控制器。神经网络和LDI结合实现了库伦摩擦力矩的离线线性化,提高了控制器的稳定性并简化了控制器结构。通过H_∞原则保证了被控系统在有参数不确定性及执行器输出饱和存在情况下的稳定性。舵机运动引起的干扰被看成是鲁棒控制器的外部干扰处理。利用Lyapunov理论证明了该控制器是一致渐进稳定的。通过仿真和实验证明了该控制器能有效的提高实验样机力矩加载性能。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP273;V448.1
【部分图文】：

图 1-1 板弹簧式加载系统Figure 1-1 Spring plate load system泛使用的电液式加载系统的典型结构式加载系统的力矩加载系统和被测舵在一起，连接轴中除扭矩传感器轴被完全刚性轴。由于舵机与加载系统直被测舵机的运动使加载系统液压马达矩被称为多余力矩。多余力矩的存在对于电液式加载系统来说，这种由于强其当舵机和加载系统运动频率不同或种现象更加明显，会大大降低系统的力伺服阀死区、压力波动等因素，在小因此，电液式加载系统很难实现小型的准确加载。

图 1-1 板弹簧式加载系统Figure 1-1 Spring plate load system目前广泛使用的电液式加载系统的典型结构原理图上电液式加载系统的力矩加载系统和被测舵机系统通的联接在一起，连接轴中除扭矩传感器轴被认为是假设是完全刚性轴。由于舵机与加载系统直接近似。但是被测舵机的运动使加载系统液压马达两腔形成的力矩被称为多余力矩。多余力矩的存在会对加载影响。对于电液式加载系统来说，这种由于强迫流量性。尤其当舵机和加载系统运动频率不同或者当舵机刻，这种现象更加明显，会大大降低系统的力矩加载统存在伺服阀死区、压力波动等因素，在小力矩加保证。因此，电液式加载系统很难实现小型导弹，无轴力矩的准确加载。

第 1 章 绪论节，以实现近似补偿。同时由于舵机加载系统往往具有非线性及时变性特构较为复杂，单纯的使用结构不变性原理已经不能满足工程应用的实际需年来专家学者们从结构不变性原理出发提出了许多派生控制补偿方法并了较好的控制效果。目前这些方法在低频场合效果理想，但在频率较高场制性能较差。
【参考文献】

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本文编号：2843105