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《哈尔滨工业大学》 2010年
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液压仿真转台同步控制器定量反馈设计方法研究

郭治富  
【摘要】:液压飞行仿真转台是具有重要经济价值和国防战略意义的高技术设备,常用在待测部件质量重、尺寸大,且加速度性能要求高的半实物仿真实验中。它可以在实验室条件下模拟飞行器在空中飞行姿态和动力学特性,以检测飞行器的传感器件、控制系统和执行机构等设备的性能,为飞行器设计提供参考。其性能直接关系到飞行器仿真结果的逼真度。在液压飞行仿真转台设计中,为了增加框架组件结构刚度和保证框架结构与所受到的负载对称,转台框架通常采用双液压马达直接同步驱动方案。该结构设计方案的运用在提高仿真转台性能的同时,也带来了双液压马达同步控制的问题。因此研究液压仿真转台双液压马达同步驱动系统在各种同步控制方案下的相互作用模型以及相应同步控制方案下的同步控制器设计方法具有非常重要的实际意义。 在查阅国内外大量相关文献基础上,本文综述了液压同步驱动技术研究发展状况和基本控制原理,概述了闭环同步驱动控制策略以及定量反馈理论(QFT)研究进展,确定了本文的主要研究方向。 文中建立了在各种同步控制方案下的双液压马达同步驱动系统相互作用机理模型。首先建立了双液压马达同步驱动动力机构数学模型;在此基础上,分别推导了双液压马达同步驱动系统在等同式、交叉耦合式和主从式同步控制方案下有机械耦合和无机械耦合时的闭环系统传递函数矩阵,并提出了以定量反馈理论多输入多输出系统稳定性定理为基础的交叉耦合式同步控制稳定性判别条件,以及同步误差时域性能指标和频域性能指标相互转换公式。 针对仿真转台单通道伺服系统控制器设计问题,文中提出了基于数值模型和参数模型的控制器定量反馈设计方法,以及功率谱估计闭环间接辨识方法。基于数值模型的控制器定量反馈设计方法以功率谱估计闭环间接辨识方法得到的单通道系统在给定工作点范围内的频域数值模型为研究对象,结合定量反馈理论进行控制器设计。实验验证表明该方法可以精确整定出满足系统性能指标的控制器参数。基于参数模型的控制器定量反馈设计方法以由系统不确定性导致的频率特性最大最小边界作为设计对象,以使系统频率特性的最大最小边界始终位于性能指标边界范围内为目标,用定量反馈设计方法设计控制器。仿真结果表明该方法设计出的控制器可以满足整个工作点范围内系统性能指标要求。 针对仿真转台双液压马达同步驱动问题,文中提出了同步控制器定量反馈设计方法,并用该方法对基于参数模型和数值模型的双马达同步系统进行了同步控制器设计。基于参数模型的同步控制器设计中研究了双马达同步系统在等同式、交叉耦合式和主从式同步控制方案下的同步控制器设计问题。仿真结果表明等同式和交叉耦合式同步控制器可以满足仿真转台严苛的性能指标要求,而主从式同步控制器只能满足同步性能指标要求。基于数值模型的同步控制器设计则进行了立式液压仿真转台中框双液压马达同步驱动系统在等同式和交叉耦合式同步控制方案下的同步控制器设计研究。 最后用所设计出的等同式和交叉耦合式同步控制器在实验室三轴飞行仿真转台中框上进行了实验研究。文中分别对等同式同步控制系统和交叉耦合式同步控制系统的频宽性能、同步性能和低速性能进行了实验验证。实验结果表明两种控制方案下系统都能够满足频宽性能和低速性能要求,同步误差在可接受范围内。同时,由实验中所用控制器参数和设计所得控制器参数比较可知,同步控制器定量反馈设计方法可以精确整定出同步控制器参数。
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