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被动式力矩伺服控制系统设计方法及应用研究

方强  
【摘要】: 被动式力矩伺服系统在工程实际中的典型应用就是力矩负载模拟器。它是地面半实物仿真系统中的一种重要专用设备,用来模拟飞行器舵机在飞行过程中所承受空气动力力矩载荷。随着国防事业对飞行器控制精度和机动性能要求大幅提高,对负载模拟器加载力矩的动态频响和精度等性能提出了更高的要求。本论文以某型电动负载模拟器控制系统设计为背景,对被动式力矩伺服控制系统进行研究。 首先,以永磁同步电机直接驱动的电动负载模拟器为背景,采用机理建模方法,建立了被动式力矩伺服系统的数学模型。建模时考虑了舵机特性对被动式力矩伺服系统模型的影响,并将其引入到系统的扰动通道。在此基础上,通过对驱动元件和舵机两方面分析,得出电机力矩波动和舵机的不确定性是造成系统模型不确定性的两个主要因素,并将其归结为系统模型的乘性摄动。通过实际系统实验,在不同简化条件下,检验了系统模型。 然后,采取把系统模型转化为舵机和负载模拟器相互耦合作用的形式,对被动式力矩伺服系统动态特性、多余力矩和加载梯度一一进行理论分析,得出:多余力矩与舵机运动速度直接相关;加载梯度是在系统闭环模型中,与多余力矩相关部分模型幅值大小成反比的系数,体现了被动式力矩伺服系统的指令信号和扰动信号之间的比值关系,从而在相同的动态指标下,小加载梯度实现更为困难。根据上述分析,提出了基于扰动观测器补偿的双回路控制结构,在内回路设计扰动观测器用于动态补偿多余力矩,在外回路设计控制器以满足系统性能要求。 考虑同时存在输入、输出扰动的系统,基于鲁棒内回路补偿框架,通过扰动观测器系统结构等价变换,提出了一种Q-滤波器优化设计方法。该方法将Q-滤波器的优化设计转化为反馈镇定控制器的优化设计问题,从而使得Q-滤波器可不依赖于扰动观测器的混合灵敏度进行优化设计,同时保证了扰动观测器系统的鲁棒性和Q-滤波器设计的最优性。应用于某被动式力矩伺服控制系统,能有效实现多余力矩补偿。 针对H_∞混合灵敏度优化设计问题,根据相矢量以及对幅值响应的线性近似,提出了基于系统动态跟踪性能的加权函数确定方法。该方法采用二项式加权函数结构,根据系统对正弦指令响应的稳态误差以及加权函数与控制系统灵敏度函数之间的近似关系,推导出跟踪误差指标与加权函数各参数之


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