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三轴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,其性能直接关系到飞行器仿真结果的逼真度。随着当前国际形势的日益严峻和我国现代军事技术的不断发展,对仿真转台的技术水平、应用范围和使用要求不断提高。在转台的性能指标中,系统的频带宽度是一项重要的性能指标,它反映了转台对输入信号响应的快速性。国内通常以频率域双十指标来衡量系统的频宽,这个频带限定了系统在多宽的频率范围内有最小的动态跟随误差。在转台油源功率容量、机械结构及系统元件确定的情况下,最佳的控制策略往往能最大限度地发挥现有设备的能力。因此深入研究电液位置伺服系统的性能、选择最佳的的控制策略对仿真转台的研制具有非常重要的意义。 在查阅大量国内外有关文献的基础上,本文综述了国内外仿真转台的发展概况,阐述了转台整体结构形式,介绍了决定仿真转台技术水平的一些关键技术,概述了电液位置伺服控制系统的实际问题、电液位置伺服系统控制策略和实现方法。 本文介绍了定量反馈理论(Quantitative Feedback Theory,简称QFT)的优缺点,单输入单输出线性系统QFT设计的一般原理,非线性系统QFT及多输入多输出系统QFT的设计思想。 本文通过理论分析推导了三轴仿真转台框架耦合的动力学模型,建立了阀控马达液压系统动力机构的非线性数学模型,明确地保留了伺服阀的压力——流量的非线性关系。由于按照液压系统参数名义值进行理论推导的数学模型与实际系统相比可能出现很大的偏差,本文针对液压仿真转台系统宽频响的特点,提出了一种灰箱的辩识方法,准确地得到液压系统的开环增益、固有频率和阻尼比等参数,以方便控制系统设计。 三轴液压仿真转台属于具有不确定性的多输入多输出非线性系统,内框、中框和外框的耦合作用随内框、中框和外框的位置、速度、加速度的变化而变化,一般的分析方法很难作到定量的分析。另外,对于确定参数的液压系统通常采用线性化的分析方法,但是对于具有很大参数不确定的液压系统还没有一个实用的工程设计方法。本文采用基于SIMULINK模型线性化的方法将适用于确定参数的单输入单输出液压系统采用线性化的思想推广到具有任意不确定参数组合的多输入多输出液压系统,并在频率域内定量表示转台框架耦合作用和外干扰作用的大小。采用“近似不相关”(Basically Non-Interacting,简称BNIA)的思想,将系统分解为一组多输入单输出系统,各子系统的耦合视为干扰输入,利用QFT可以利用离散的频率响应数据设计控制器的特点,将线性化得到离散的结果按照不确定性的大小定量地设计鲁棒控制器,满足系统性能指标,简化了多输入多输出非线性系统的设计方法。 为最大限度地提高系统的双十性能指标,在指定的双十频段内的最大频率点处系统双十指标的幅值和相角误差应同时达到或近似同时达到界限值,但是类似液压系统这样的最小相位系统,幅值和相角满足Bode关系,即系统相角由系统幅值唯一地决定,所以一般的设计方法很难达到上述目的。本文利用QFT设计方法的图形化、透明化特点提出一种改进的QFT设计方法,直接在Nichols图上综合控制器,使在规定的频段内的最大频率点处幅值和相角同时达到或近似同时达到双十指标的界限值,提高了系统的双十频带宽度。这种方法的另一个优点是省略了经典的二自由度的QFT跟踪控制结构中的预滤波器,提高了系统斜坡跟踪精度。 本文在三轴液压仿真转台上用改进的QFT控制策略进行了系统双十指标试验和系统鲁棒性能试验。结果表明:采用本文控制策略的系统双十指标带宽在相同的条件下较常规设计方法提高了10%,在油源压力和负载条件变化的情况下仍能达到规定的时域和频域性能指标。