【摘要】：舵機被廣泛應(yīng)用于火箭、飛機和船舶等航行器,是航行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),其性能的優(yōu)劣直接影響航行器的航行控制。舵機性能測試系統(tǒng)用于測試舵機性能是否滿足設(shè)計要求,其加載控制精度是影響測試結(jié)果的最主要因素。如何提高加載控制精度是舵機性能測試系統(tǒng)研究的核心。目前已有的研究中大都采用“控制-檢測反饋-控制”的模式進行加載控制,這種模式在舵機運動對加載控制影響較低的場合精度尚可,然而在舵機運動對加載控制的影響較大的情況下,其控制精度難以滿足測試要求。為進一步提高舵機性能測試系統(tǒng)中的加載控制精度,本課題在提出將電動式加載系統(tǒng)與舵機系統(tǒng)進行同步控制的基礎(chǔ)上,對舵機正弦運動和階躍運動下的加載控制技術(shù)進行研究。分析了舵機性能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理,總結(jié)了現(xiàn)有的加載系統(tǒng)控制模型,將其分為單輸入單輸出模型、雙輸入單輸出力矩耦合模型以及雙輸入單輸出位置耦合模型三種。從理論分析和數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)兩方面,闡述上述三種模型的相似性及其不合理性,并對雙輸入單輸出的位置耦合模型進行了修正,使其更符合舵機性能測試系統(tǒng)的實際情況。在對系統(tǒng)進行動力學(xué)行為分析的基礎(chǔ)上,定義了舵機性能測試系統(tǒng)中的主動負載與被動負載,并證明了舵機性能測試系統(tǒng)中加載系統(tǒng)的力矩傳遞函數(shù)發(fā)生了改變,這種變化是影響加載控制精度的因素之一。通過數(shù)學(xué)模型分析得出被動負載是影響加載控制精度的另一個因素。分析了加載系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量對被動負載的影響,提出了將舵機性能分段測試以提高加載控制精度。分析了加載系統(tǒng)延遲對加載控制精度的影響,提出將舵機系統(tǒng)與加載系統(tǒng)進行同步控制,通過理論推導(dǎo)得出在同步控制系統(tǒng)中采用具有預(yù)測功能的控制策略能夠更好地抑制舵機運動引起的力矩變化,從而提高加載控制精度。在分析了舵機正弦運動下加載控制的特點的同時,指出控制指令計算與加載系統(tǒng)的響應(yīng)滯后是影響加載控制精度的主要原因。針對該問題,提出了一種改進的廣義預(yù)測控制(Improved generalized predictive control,IGPC)。該方法充分利用了已知的舵機位置輸入,預(yù)估未來某時刻舵機運動對負載的影響,并通過相位系數(shù)q調(diào)整期望值,將未來時刻的理想負載力矩作為當(dāng)前時刻的期望值,用于抵消響應(yīng)滯后帶來的影響。分析了IGPC的魯棒性、穩(wěn)定性以及各參數(shù)對控制性能的影響。分析了舵機階躍運動過程中的加載狀態(tài)變化過程,得出當(dāng)加載狀態(tài)從臨界加載向其它加載狀態(tài)轉(zhuǎn)化時,會產(chǎn)生大幅波動或沖擊。通過理論分析尋找到一條臨界加載狀態(tài)最少的加載狀態(tài)轉(zhuǎn)換路線。針對舵機階躍運動下的加載控制具有高頻、快速、短時間等特點,導(dǎo)致以往的控制策略失效的問題,提出了一種指令優(yōu)化的開環(huán)同步程序控制。該方法中電流和力矩均采用開環(huán)控制,以辨識的虛擬系統(tǒng)代替實際系統(tǒng)進行控制指令離線反復(fù)優(yōu)化,以實現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。在舵機階躍運動下采用指令離線優(yōu)化的開環(huán)同步程序控制能夠有效地抑制加載過程中負載力矩中的沖擊和大幅波動。建立了舵機性能測試系統(tǒng)的仿真模型,對舵機正弦運動下的IGPC、GPC、VSC、FAPID、RPID以及PID策略進行了仿真對比。搭建了同步控制的舵機性能測試系統(tǒng),并以此作為試驗平臺,對舵機正弦運動下的IGPC進行了試驗驗證并將其與VSC進行了實驗對比。同時對舵機階躍運動下的開環(huán)同步程序控制進行了實驗驗證。
【圖文】：

試系統(tǒng)中加載方式研究現(xiàn)狀中加載方式的不同，加載系統(tǒng)可分為機械式動式加載系統(tǒng)三種[10]。統(tǒng)非常穩(wěn)定，且技術(shù)成熟，諸如懸臂梁式、機生產(chǎn)廠家仍有應(yīng)用。以彈簧板式加載系統(tǒng)機、扭矩傳感器與彈簧板依次相連，彈簧板生力矩并通過力矩傳感器帶動彈簧板發(fā)生扭載與其偏轉(zhuǎn)角度成正比。這種加載系統(tǒng)可用態(tài)特性。在有限的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，可以通過選比例的梯度加載測試。統(tǒng)的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、成本低并且加載控等影響，機械式加載系統(tǒng)的自動化控制程度、或梯度、或某設(shè)定曲線的單一方式的加載

被測液壓舵機圖 1-2 電液式加載系統(tǒng)原理圖Fig.1-2 Schematic diagram of electro-hydraulic loading紀(jì) 70 年代初開始，以日本學(xué)者池谷光榮為代表電液式加載測試實驗臺[12]。由于其優(yōu)良的性能，電載測試系統(tǒng)的主流，世界各國均先后研制出了多種 世紀(jì) 70 年代末，以各大高校與航空航天院所為代究方面取得了較大成果。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，電大、加載范圍寬等優(yōu)點[13]，被廣泛應(yīng)用到各類工程系統(tǒng)本身慣量大，響應(yīng)速度不足等原因，，很難抑制被迫運動而產(chǎn)生的力矩干擾。時至今日，仍有學(xué)者擾力矩抑制方法的研究，但受硬件條件限制，成果具有機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輔助設(shè)施多、易泄露、系統(tǒng)維機構(gòu)摩擦力較大、不適合小負載工作等缺點[14]，代的趨勢[15,16]。加載系統(tǒng)的工作原理與電液式加載系統(tǒng)相似，只是
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP273

【參考文獻】

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本文編號：2667892