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摩擦加载式电液负载模拟器加载性能及控制策略研究

郑大可  
【摘要】:空气动力电液负载模拟器主要用来模拟导弹、战机等飞行器舵机系统在实际飞行中所受的空气动力载荷谱,以期在实验室环境下再现舵机系统的真实工况。随着对导弹、战机等重要国防武器技术性能要求的不断提高,空气动力电液负载模拟器的加载性能急需进一步的提高。传统负载模拟器由于直接与被测舵机系统刚性连接,被测舵机系统的主运动对负载模拟器将造成强烈的且无法被彻底消除的干扰作用,即所谓的多余力矩。多余力矩的存在严重制约着传统负载模拟器加载性能的进一步提高。为了彻底消除多余力矩,从而全面提高负载模拟器的加载性能,本文给出了一种基于摩擦的高频高精度电液伺服力矩加载方法,同时提出一种用于提高该方法加载幅值的多摩擦副加载机构。基于该方法研制了一台摩擦加载式电液负载模拟器样机。为了研究该加载方法的有效性,解决该方法的关键问题,从而为高性能摩擦加载式电液负载模拟器的研制打下坚实基础,本文主要做了如下研究。首先为了验证所提出的加载方法的可行性和有效性,建立了所研制的负载模拟器样机的控制数学模型,研究了样机的基本控制性能。在PID+前馈控制器控制下实验研究了样机的加载性能,验证了该加载方法无多余力矩。同时实验研究了摩擦盘摩擦系数对加载性能的影响,指出了摩擦系数不确定性对系统加载性能有较大影响,需要被补偿。为了获得更高的加载性能,考虑了样机系统中存在的参数不确定性等因素,设计了线性鲁棒H?控制器,在其控制下进行了力矩加载仿真及实验研究,仿真及实验结果表明了所设计的控制器的有效性,同时表明更高性能的控制器能够提高该负载模拟器的控制性能。虽然所提出的加载方法无多余力矩,但是作为一种电液伺服系统,所设计的样机具有强烈的非线性。为了获得高精度的高频控制性能,需要考虑样机系统的伺服阀动态,而阀芯位移及速度无法由传感器直接测量,此外样机系统具有不确定性参数。为了进一步提高样机的控制性能,考虑被控系统的非线性、伺服阀动态即不可测状态及不确定参数等因素,设计了一个基于自适应状态观测器的非线性自适应反步-平坦控制器。所设计的自适应状态观测器用于在线实时观测具有不确定参数的被控系统的不可测状态变量,基于该观测器设计了自适应反步-平坦控制器。通过仿真及实验研究验证了所设计的非线性控制器的有效性。实际的控制系统尤其是非线性系统,其反馈状态变量都是由传感器测量得到的,因此一般的反馈状态变量都含有测量噪声。而现有文献所设计的非线性控制器往往含有大量的反馈状态变量微分及高阶微分,这在实际应用时将会放大被控系统的测量噪声。放大的测量噪声将严重影响被控系统的控制性能。对于所研究的负载模拟器,尤其是低频大幅值负载模拟器,为了抑制测量噪声放大,补偿参数不确定性,从而获得高精度的加载性能,提出了一种非线性间接自适应平坦控制器。其中具有低通滤波器的间接参数辨识律能最大限度地抑制测量噪声对参数辨识的干扰,基于该辨识律,设计了不含反馈状态变量微分的非线性平坦控制器,从而避免测量噪声放大。仿真及实验验证了所提出的控制策略的有效性。为了在紧凑结构下利用现有摩擦材料大幅度提高所研制的负载模拟器的加载幅值,基于所提出的多摩擦副加载机构,设计并研制了该机构样机。结合实际加载工况,利用有限元软件ABAQUS,仿真验证了该机构满足动态加载要求,同时仿真研究了该机构动态热-力耦合行为,分析了摩擦热的产生特征及其对该机构力-摩擦力矩转换性能的影响,从而为实际加载提供理论依据。利用该机构,将原有的负载模拟器样机改造成一个具有多摩擦副的负载模拟器。基于所改造的负载模拟器,进行了力矩加载实验研究,实验结果验证了多摩擦副加载机构的有效性,同时表明所改造的负载模拟器的力矩加载性能优于传统电液负载模拟器的性能。


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