电液负载模拟器关键技术的研究

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电液负载模拟器(Electro-hydraulicloadsimulator)是一种地面半实物仿真设备,用来模拟飞行器舵机所受的各种空气动力力矩载荷谱,从而检测舵机驱动系统的技术性能指标,其对国防军事工业具有重要意义。  电液负载模拟器是典型的被动式力(力矩)伺服控制系统,其最终控制目标就是在大回路仿真中准确、快速地复现任意的载荷谱信号。仿真过程中,舵机的主动运动会对与其固连在一起的加载系统产生一种多余力矩干扰作用,而且这种干扰作用具有强度大、时时存在、随舵机运动状态连续变化的特点,严重影响了负载模拟器的性能,使得加载系统难以实现其最终控制目标。因此,负载模拟器的关键技术问题就是如何抑制和消除多余力矩。此外,为更好地提高其动静态性能,必须解决系统中固有的不确定性以及摩擦等非线性因素的影响。  本文在查阅大量国内外资料的基础上,综述了国内外电液负载模拟器的发展现状,分析了它们的优缺点,通过对国内外负载模拟器产品和相关研究的分析,确定了本文的主要研究方向。  论文建立了电液负载模拟器的数学模型,分析了多余力矩的产生机理及特性;分析了相关结构参数与系统控制性能、多余力矩之间的关系;研究了加载系统的各项动静态特性。  电液负载模拟器结构相对较简单,电液伺服阀是影响其性能的最关键元件,不同类型伺服阀用于被动式加载系统时会表现出不同的特性。本文建立了流量伺服阀、压力伺服阀、流量—压力伺服阀等三类伺服阀控制的被动加载系统数学模型,分析了它们加载和克服多余力矩的机理、控制特点、阀开口形式及开口量等参数对克服多余力矩的影响等,并进行了仿真和实验研究,为如何设计和正确选用被动式电液伺服加载系统中的伺服阀,更好的克服多余力矩提供了依据。  在分析基于经典的控制策略基础上,根据电液负载模拟器的特点,提出电液负载模拟器的鲁棒控制策略。建立了含有不确定性的电液负载模拟器数学模型。基于μ综合理论设计出鲁棒力矩控制器,详细给出鲁棒力矩控制回路中加权函数的选取方法。用μ分析理论对经典和鲁棒力矩控制系统进行分析比较,并给出各种加载工况下的仿真结果,得出所设计鲁棒控制器鲁棒性好的结论。  论文分析了电液负载模拟器中的非线性。针对摩擦非线性严重影响跟踪精度的问题,在被动式力伺服系统中引入摩擦非线性补偿,设计一种非线性控制器,其不需要摩擦力矩的精确模型,而只需其上界值,是一种基于非精确摩擦模型的非线性补偿策略,仿真结果表明与一般的高增益PID控制相比,其能更好的消除摩擦非线性的影响。  在电液负载模拟器原理样机上进行了实验研究。对模拟舵机系统和加载系统进行性能实验;给出利用经典控制器和鲁棒控制器的实验结果,并对其进行分析比较;分别采用三类伺服阀控制加载系统进行实验。
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