船用舵机加载系统控制策略研究

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舵机加载系统的功能是在地面实验室条件下模拟舰船舵面在海上航行过程中受到的海水动力力矩载荷谱。舵机加载系统是航行控制系统半实物仿真中的重要实验设备。舵机加载系统对实际环境载荷的模拟精度高低与加载实时性优劣直接决定了船用舵机伺服机构的性能测试数据是否准确有效,进而间接影响了舰船航行的可靠性。本文针对模拟载荷加载控制中所涉及的加载动力学建模问题与负载模拟器固有耦合特性问题进行了深入探讨,进而设计了相应的加载控制策略,以实现模拟载荷的高精度加载。首先,根据电液式负载模拟器的工作原理与实际机械结构,建立舵机负载模拟系统数学模型,并从理论上阐释了多余力现象的产生机理。并且分析了舵机伺服机构的位置扰动、传动机构的机械间隙以及加载液压缸内部的摩擦等各类扰动因素对载荷动态加载过程的综合影响,为后续分析耦合扰动对加载性能的影响和设计加载控制策略奠定了理论基础。针对如何在舵机运动扰动影响下实现模拟载荷的高精度加载问题,根据结构不变性原理思想决定采用前馈补偿通道补偿的方法来对多余力进行补偿。通过比较不同的前馈信号的补偿效果,最终确定用被测舵机的位移理想信号作为加载舵机的前馈补偿输入。并且基于此种补偿方法决定采用相位修正的结构不变性补偿方法,可有效补偿多余力。针对前馈补偿控制器自适应能力差、控制器参数对环境变化较敏感等缺点,采用了基于模糊迭代学习的多余力补偿策略。通过理论分析以及实验验证对多余力补偿方法进行了深入研究。并且运用AMESIM和MATLAB联合仿真对加载控制策略在改善力加载精度与动态性能方面进行仿真验证。为了证明所设计的加载控制策略在工程应用中的可行性,采用Iocomp Active X仪表组件控件进行测控软件界面的编写,使人机界面更加符合人机工程学原理,加入防呆设置,使操作更加方便不易出错。利用所搭建的负载模拟试验软硬件系统对加载控制策略进行试验验证。在验证系统可行性的基础上,还分别对比所提的模糊迭代控制策略与工业中常用的基于结构不变性前馈补偿的PID控制策略之间的性能差异,从而对所涉及算法的工程实用性给出指导意见。
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