（机械电子工程专业论文）电动负载模拟器控制方法研究.pdf

西北工业大学硕 学位论义摘要 摘要 论文的主要研究对象是以永磁直流力矩电机为作动单元的电动负载模拟 器， 该系统用于在无人机地面仿真系统中 模拟无 人机伺服舵机在无人机飞行 状 态下所受气动载荷。作为负载模拟器的全新实现形式， 该系统与常用的电液负 载模拟器作用相同， 但它更适合小载荷工作，且 系统特性稳定、受环境因素影 响小，噪音小、无污染，适合在实验室环境下使用。 论文中首先建立了 系统的数学模型， 分析了 系统动态 特性，并通过实验方 法辨识了系 统数学模型主要模块的频响特征，作为建模过 程验证以及控制算法 设计依据。 在系统数学模型基础上， 通过仿真研究了多余 力矩对系统性能的影 响，发现多余力矩严重影响系统性能。 论文中 使用改 进的前馈补偿方法解决多余力矩问 题。 仿真研究结果表明， 前馈方法能 够有效抑制多余力 矩。但是前馈方法的直接实 现形式中包含高阶纯 微分环节， 不能 在实际条件下 使用。文中通 过设计前向 通道校正器，使系 统广 义前向 通道在系统工作频段内 的频响特性与常数 1 的近似， 进而 在算法中 后移 前馈补偿量在前向 通道上的 输入点，使前馈补偿器摆脱高 阶纯微分 形式。 这种 改进解决了 前馈方法在实际条件下的实现问 题， 有效抑制了系 统中的多 余力矩。 此外，还设计了 摩擦补偿环节，用于 减小电 机输出摩擦对系统性能的 影响。 在 以 上工作基础_ 匕 设计了 系统闭 环控制器， 它与前向 通道校正器、 前 馈补 偿器、 摩擦补偿环节构成系统控制器的完整形式。 论文最后给出了系统各项性能指标的测试方法、测试结果以及测试结论。 测试结果表明系统基本满足设计指标要求。 关键词 电动负载模拟器 摩擦补偿 气动载荷模拟多余力矩前馈补偿 西 北 t.业 大学 硕 卜 学 位 论 文ab s t r a c t abs tract t h i s p a p e r m a i n l y f o c u s e s o n o n e e l e c t r i c l o a d s i mu l a t o r , w h i c h u s e s p e r ma n e n t m a g n e t d c m o t o r s a s i t s a c t u a t o r s . i t s u s e d i n t h e g r o u n d - b a s e d s i m u l a t i o n s y s t e m s f o r p i l o t l e s s a i r c r a ft s , t o p r o v i d e d y n a m i c p n e u m a t i c l o a d f o r t h e s e a i r c r a ft s s e r v o r u d d e r s . a s a n e w t y p e o f l o a d s i m u l a t o r , i t h a s s i m i la r f u n c t i o n s a s c u r r e n t e l e c t r i c - h y d r a u l i c l o a d s i mu l a t o r s , b u t i t h a s b e tt e r s m a l l s i g n a l r e s p o n s e , m o r e s t e a d i n e s s , l e s s n o i s e a n d l e s s p o l l u t i o n . i t s m o r e f i t f u l f o r l a b a p p l i c a t i o n s . i n t h i s p a p e r , t h e mo d u l e o f t h i s s y s t e m i s e s t a b l i s h e d , t h e s y s t e m s d y n a mi c s i s s t u d i e d , a n d t h e f r e q u e n c y r e s p o n s e o f t h e k e y b l o c k s i n t h e s y s t e m m o d u l e i s t e s t e d t h r o u g h e x p e r i m e n t m e t h o d s . b a s e o n t h e s y s t e m m o d u l e , t h e i n fl u e n c e o f t h e s u r p l u s t o r q u e i s s t u d i e d b y w a y o f s i m u la t i o n , a n d i t s f o u n d t h a t s u r p l u s t o r q u e a ff e c t s t h e s y s t e m g r e a t l y . a d v a n c e d f o r w a r d f e e d c o m p e n s a t i o n m e t h o d i s a p p l i e d h e r e t o k i l l s u r p l u s t o r q u e . s i m u l a t i o n r e s u l t s h o w s t h a t f o r w a r d f e e d m e t h o d i s e ff e c t i v e , b u t b e c a u s e o f t h e h i g h o r d e r d i ff e re n t i a l i n i t s o r i g i n a l f o r m , f o r w a r d f e e d c a n t b e u s e d d i r e c t l y . i n t h i s p a p e r , f o r w a r d p a t h c o r r e c t o r i s d e s i g n e d t o m a k e t h e g e n e r a l i z e d f o r w a r d p a t h s i m i l a r t o c o n s t a n t 1 i n t h e s e n s e o f f r e q u e n c y r e s p o n s e w i t h i n t h e w o r k i n g f r e q u e n c y o f t h e s y s t e m , t h e n , t h e f o r w a r d f e e d m e t h o d i s m o d i f i e d t o a v o i d h i g h o r d e r d i ff e r e n t i a l c o mp o n e n t s , t h a t s t h e a d v a n c e d f o r w a r d m e t h o d u s e d h e re. b e s i d e s , a f r i c t i o n c o m p e n s a t i o n m e t h o d i s e s t a b l i s h e d t o d e c r e a s e t h e i n fl u e n c e o f t h e fr i c t io n t h a t ma i n l y e x i s t e d i n t h e m o t o r s . b a s e o n t h e s e a l g o r i s m c o mp o n e n t s , t h e c l o s e - l o o p c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d , i t a n d t h e o t h e r t h ree c o m p o n e n t s c o m p o s e t h e c o m p l e t e c o n t r o l l e r . a t t h e e n d o f t h i s p a p e r , t h e t e s t m e t h o d s , t e s t r e s u l t a n d a n a l y s i s r e s u lt o f t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e t e s t a r e p r o v i d e d . t h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m s p e r f o r m a n c e m e e t s mo s t r e q u i r e m e n t s i n t h e d e s i g n i n d e x . i t - 西北工业人学硕 卜 学位论文a bs trac t ke y wo r d : e l e c t r i c l o a d s i mu l a t o r , pn e u ma t ic l o a d s i mu l a t i o n s u r p l u s t o r q u e , f o r w a r d f e e d c o mp e n s a t i o n , f r i c t i o nn s a t i o n m 西北工业大学硕 卜 学位论文 第 一 带绪 论 第一章绪论 . 1 选题的意义及必要性 试验技术在科 研工作中 发挥着越来越重要的作用，良 好的试验条件能缩短 研 发周期， 并且能 提高 研发质量。 在航空、 航天领域， 试验技术作为重要的支持 技 术， 其作用在许多 新型号、新技术的开发过程中得到了很好的验证。 但是，由 于 各种因素的限制，目 前的 试验条件远远满足不了国 防科研工作的需要， 试验技术 的 落后已 经严重影响着我国国防工业的发展。 为改变这种局面，各类国防工业企 业正 在加紧建设各类与 新型号、 新技术研发紧密相关的新型 试验设备。 在 航空领域， 地面大型半物理仿真系统作为一种重要的 地面试验技术， 在新 型号飞 行器的 研发过程中 发挥着十分重要的作用，本 文所讨论的负 载模拟器是地 面大型半物理 仿真系统中 的重要组成部 分。 负载模拟器在实验室条件下复现在飞行条件下飞机舵面所受的气动载荷，它 的引入对于整套仿 真系统的作用主要有两点: 一是实际考核所 采用的舵机在接近 实际负 载情况下的 工作情况;二是加入载荷后将舵机在加载 情况下的动态过程引 入了 厂仿 真 大 回 路， 从 而 在 仿 真的“ 粒 度” 上 进 一 步 细 化， 提高 了 系 统 仿 真 结 果的 置 信 度 和 等 级 川 。 现有负载模拟器主要是以液压作动器为最终执行机构的被动式力 / 力矩伺服 系统， 这是因为加载对象通常都是液压舵机、液压助力器等， 只有 液压系统才具 备足够的 频宽及驱动能力。 在当前技术条件下，为液压舵机、 液压助力器 等机构 配备的 载荷模拟器系统仍然只能用液压技术实现。 随着电机性能的不断提升，以直流力矩电机为加载执行器的电动加载技术 正 在引起大家的 关注， 其中的主要原因 有两点: 一是在许多小型无人飞行器中高性 能电动舵机正在得到 越来越多的 应用。 这些舵机的 执行机构为电 机，使得电 动负 载模拟 器的作动频宽与驱动能力能够满足试验需要; 二是在地面仿真实验中给这 些小型低速舵机 ( 相对于传统的电液舵机) 配备负载的必要性正在逐步受到重视 。 基于力矩电机的电动负载模拟器在其自身的工作频带与作动能力范围内与 西北工业大学硕 卜 学位论文 第 一 带绪 论 第一章绪论 . 1 选题的意义及必要性 试验技术在科 研工作中 发挥着越来越重要的作用，良 好的试验条件能缩短 研 发周期， 并且能 提高 研发质量。 在航空、 航天领域， 试验技术作为重要的支持 技 术， 其作用在许多 新型号、新技术的开发过程中得到了很好的验证。 但是，由 于 各种因素的限制，目 前的 试验条件远远满足不了国 防科研工作的需要， 试验技术 的 落后已 经严重影响着我国国防工业的发展。 为改变这种局面，各类国防工业企 业正 在加紧建设各类与 新型号、 新技术研发紧密相关的新型 试验设备。 在 航空领域， 地面大型半物理仿真系统作为一种重要的 地面试验技术， 在新 型号飞 行器的 研发过程中 发挥着十分重要的作用，本 文所讨论的负 载模拟器是地 面大型半物理 仿真系统中 的重要组成部 分。 负载模拟器在实验室条件下复现在飞行条件下飞机舵面所受的气动载荷，它 的引入对于整套仿 真系统的作用主要有两点: 一是实际考核所 采用的舵机在接近 实际负 载情况下的 工作情况;二是加入载荷后将舵机在加载 情况下的动态过程引 入了 厂仿 真 大 回 路， 从 而 在 仿 真的“ 粒 度” 上 进 一 步 细 化， 提高 了 系 统 仿 真 结 果的 置 信 度 和 等 级 川 。 现有负载模拟器主要是以液压作动器为最终执行机构的被动式力 / 力矩伺服 系统， 这是因为加载对象通常都是液压舵机、液压助力器等， 只有 液压系统才具 备足够的 频宽及驱动能力。 在当前技术条件下，为液压舵机、 液压助力器 等机构 配备的 载荷模拟器系统仍然只能用液压技术实现。 随着电机性能的不断提升，以直流力矩电机为加载执行器的电动加载技术 正 在引起大家的 关注， 其中的主要原因 有两点: 一是在许多小型无人飞行器中高性 能电动舵机正在得到 越来越多的 应用。 这些舵机的 执行机构为电 机，使得电 动负 载模拟 器的作动频宽与驱动能力能够满足试验需要; 二是在地面仿真实验中给这 些小型低速舵机 ( 相对于传统的电液舵机) 配备负载的必要性正在逐步受到重视 。 基于力矩电机的电动负载模拟器在其自身的工作频带与作动能力范围内与 西北工业大学倾卜 学位论义第一章绪论 基于电 液力 伺服系统的液压负载模拟器相比具有以 下5 个主 要优点:小信号 跟 踪能力强、 加载分辨率高，适合小载荷工作; 系统 特性稳定， 受环境因素影 响 小: 加载结构旋转运动， 适于力矩加载: 体积小、 维护简便; 工作噪音小、 无污染， 适合 在实验室环境下使用。 电动负载模拟器存在的主要不足之处:加载频带较窄、 输出 力矩较小， 在当 前技 术条件下只能给电 动舵机提 供载荷 模拟。 电 动负 载模拟器与电 液负 载模拟器的 加载 执行机构 特性差异很大， 在控制中 除 具有负载 模拟器的共有问题 ( 如多余 力矩)以 外，电动负载模拟器还具有一些 特殊问 题， 这些都直接关系着系 统的 性能。 本文结合科研课题就电动负载模拟器 控制方法以及系统实现作了比较深入的研究。 1 .2负载模拟器概述 1 .2 .1负载模拟器构成 负载模拟器也称为力 / 力矩伺服加载系统， 属于力/ 力矩伺服控制系统的范 畴， 具有和普通力/ 力 矩伺服系统相似的结构。 如图1 - 1 所示，一般的负载模拟 器主要包括伺服控制器、 执行机构 ( 液压缸、液压马达、 加载电 机等) 以及检 测元件等，其核心为伺服控制器。系统期望输出为加载力/ 力矩。 图 卜1一般负载模拟器系统构成 1 .2 .2负载模拟器分类 a 按加载对象运动与否可分为主动加载系统和被动加载系统 主动加载系统。也称静态加载系统，其加载对象在加载过程中 保持 相对静 止。主要用于结构、材料的静、动态强 度试验。由 于承载对象静止不 动， 所以 这类系统的结构比 较简单， 控制也比较容易。这一类系统的典型例子为 材料疲 西北工业大学倾卜 学位论义第一章绪论 基于电 液力 伺服系统的液压负载模拟器相比具有以 下5 个主 要优点:小信号 跟 踪能力强、 加载分辨率高，适合小载荷工作; 系统 特性稳定， 受环境因素影 响 小: 加载结构旋转运动， 适于力矩加载: 体积小、 维护简便; 工作噪音小、 无污染， 适合 在实验室环境下使用。 电动负载模拟器存在的主要不足之处:加载频带较窄、 输出 力矩较小， 在当 前技 术条件下只能给电 动舵机提 供载荷 模拟。 电 动负 载模拟器与电 液负 载模拟器的 加载 执行机构 特性差异很大， 在控制中 除 具有负载 模拟器的共有问题 ( 如多余 力矩)以 外，电动负载模拟器还具有一些 特殊问 题， 这些都直接关系着系 统的 性能。 本文结合科研课题就电动负载模拟器 控制方法以及系统实现作了比较深入的研究。 1 .2负载模拟器概述 1 .2 .1负载模拟器构成 负载模拟器也称为力 / 力矩伺服加载系统， 属于力/ 力矩伺服控制系统的范 畴， 具有和普通力/ 力 矩伺服系统相似的结构。 如图1 - 1 所示，一般的负载模拟 器主要包括伺服控制器、 执行机构 ( 液压缸、液压马达、 加载电 机等) 以及检 测元件等，其核心为伺服控制器。系统期望输出为加载力/ 力矩。 图 卜1一般负载模拟器系统构成 1 .2 .2负载模拟器分类 a 按加载对象运动与否可分为主动加载系统和被动加载系统 主动加载系统。也称静态加载系统，其加载对象在加载过程中 保持 相对静 止。主要用于结构、材料的静、动态强 度试验。由 于承载对象静止不 动， 所以 这类系统的结构比 较简单， 控制也比较容易。这一类系统的典型例子为 材料疲 西北工业大学倾卜 学位论义第一章绪论 基于电 液力 伺服系统的液压负载模拟器相比具有以 下5 个主 要优点:小信号 跟 踪能力强、 加载分辨率高，适合小载荷工作; 系统 特性稳定， 受环境因素影 响 小: 加载结构旋转运动， 适于力矩加载: 体积小、 维护简便; 工作噪音小、 无污染， 适合 在实验室环境下使用。 电动负载模拟器存在的主要不足之处:加载频带较窄、 输出 力矩较小， 在当 前技 术条件下只能给电 动舵机提 供载荷 模拟。 电 动负 载模拟器与电 液负 载模拟器的 加载 执行机构 特性差异很大， 在控制中 除 具有负载 模拟器的共有问题 ( 如多余 力矩)以 外，电动负载模拟器还具有一些 特殊问 题， 这些都直接关系着系 统的 性能。 本文结合科研课题就电动负载模拟器 控制方法以及系统实现作了比较深入的研究。 1 .2负载模拟器概述 1 .2 .1负载模拟器构成 负载模拟器也称为力 / 力矩伺服加载系统， 属于力/ 力矩伺服控制系统的范 畴， 具有和普通力/ 力 矩伺服系统相似的结构。 如图1 - 1 所示，一般的负载模拟 器主要包括伺服控制器、 执行机构 ( 液压缸、液压马达、 加载电 机等) 以及检 测元件等，其核心为伺服控制器。系统期望输出为加载力/ 力矩。 图 卜1一般负载模拟器系统构成 1 .2 .2负载模拟器分类 a 按加载对象运动与否可分为主动加载系统和被动加载系统 主动加载系统。也称静态加载系统，其加载对象在加载过程中 保持 相对静 止。主要用于结构、材料的静、动态强 度试验。由 于承载对象静止不 动， 所以 这类系统的结构比 较简单， 控制也比较容易。这一类系统的典型例子为 材料疲 西北下业大学硕 卜 学位论文 第 一 章绪 论 劳试验机。由于需要高频、 大幅值输出， 这类系统多采用液压作动形式。对于 载荷简单、 固定的， 也有采用大电机附加减速器及机械运动变换机构来实现的。 被动加载系统。也称运动加载或被动式加载，其加载对象有主动运动， 如 舵机、起落架系统。这类系统由于承载对象运动参量的干扰，使系统的结构复 杂，分 析和设计都比较困 难。 本文中 所讨论的 加载系统属于这一类。 b 按照加载元件的不同可分为电液加载系统和电动加载系统 电 液加载系统。系统加载执行机构为电液力伺服系统，工作频带高、输出 能力强，但机械结构复杂，对加工工艺敏感，作动器摩擦力较大 ( 不适合小载 荷工作) ， 启动缓慢，需要辅助设施多 ( 油 泵、泵站和相应的油路支持) ，参 数 受环境、时间及系统工作状况影响大， 维护困 难。液压加载系统适合高 频、 大 幅值、直线加载需要。这类负载模拟器不是本文的讨论重点。 电动加载系统。系统加载执行机构为力矩电机。这类系统小信号跟踪能力 强、加载分辨率高，适合小 载荷工作:系统特性稳定，受环境因素影响小;加 载结构旋转运动， 适于力矩加载;体积小、维护简便;工作噪音小、 无污染， 适合在实验室环境下使用。限于目 前的电机性能， 这类系统工作频带、 输出 幅 值相对 较低，目 前只适合于向电 动机舵机这类的小型位置 伺服机构提供载荷模 拟。这类负载模拟器是本文的研究重点。 除以上的液压、电动两种有源的负载模拟器以外，还有机械式负载，它们 通常就是 连在弹簧上的质量块，目前 这类设备在舵机小回路仿真试验环境中还 有应用。 这类 机构不能跟踪载荷指令， 是一种纯粹的负载， 通过调节弹簧或更 换质量块能够实 现使负载 特性在一定范围内 变化。 这类机构在仿真回 路中还是 具有一定的实际意义的，因为舵机这类位置随动系统的主要干扰形式是力或力 矩，虽然机械式负载不能跟随气动载荷，但它能够在舵机运动时提供一定的阻 力，可以在某种程度上考验舵机的 性能， 这类系 统本文不作进一步的讨论。 1 .2 .3电动负载模拟器的技术难点 本文讨论的重点是被动式加载系统， 其控制中最主要的问 题是如何抑制由 加载对象主动运动引起的多余力矩。 多余力矩是加载领域的一个工程用语，并没有十分严格的宁 义.诵常是指 西北下业大学硕 卜 学位论文 第 一 章绪 论 劳试验机。由于需要高频、 大幅值输出， 这类系统多采用液压作动形式。对于 载荷简单、 固定的， 也有采用大电机附加减速器及机械运动变换机构来实现的。 被动加载系统。也称运动加载或被动式加载，其加载对象有主动运动， 如 舵机、起落架系统。这类系统由于承载对象运动参量的干扰，使系统的结构复 杂，分 析和设计都比较困 难。 本文中 所讨论的 加载系统属于这一类。 b 按照加载元件的不同可分为电液加载系统和电动加载系统 电 液加载系统。系统加载执行机构为电液力伺服系统，工作频带高、输出 能力强，但机械结构复杂，对加工工艺敏感，作动器摩擦力较大 ( 不适合小载 荷工作) ， 启动缓慢，需要辅助设施多 ( 油 泵、泵站和相应的油路支持) ，参 数 受环境、时间及系统工作状况影响大， 维护困 难。液压加载系统适合高 频、 大 幅值、直线加载需要。这类负载模拟器不是本文的讨论重点。 电动加载系统。系统加载执行机构为力矩电机。这类系统小信号跟踪能力 强、加载分辨率高，适合小 载荷工作:系统特性稳定，受环境因素影响小;加 载结构旋转运动， 适于力矩加载;体积小、维护简便;工作噪音小、 无污染， 适合在实验室环境下使用。限于目 前的电机性能， 这类系统工作频带、 输出 幅 值相对 较低，目 前只适合于向电 动机舵机这类的小型位置 伺服机构提供载荷模 拟。这类负载模拟器是本文的研究重点。 除以上的液压、电动两种有源的负载模拟器以外，还有机械式负载，它们 通常就是 连在弹簧上的质量块，目前 这类设备在舵机小回路仿真试验环境中还 有应用。 这类 机构不能跟踪载荷指令， 是一种纯粹的负载， 通过调节弹簧或更 换质量块能够实 现使负载 特性在一定范围内 变化。 这类机构在仿真回 路中还是 具有一定的实际意义的，因为舵机这类位置随动系统的主要干扰形式是力或力 矩，虽然机械式负载不能跟随气动载荷，但它能够在舵机运动时提供一定的阻 力，可以在某种程度上考验舵机的 性能， 这类系 统本文不作进一步的讨论。 1 .2 .3电动负载模拟器的技术难点 本文讨论的重点是被动式加载系统， 其控制中最主要的问 题是如何抑制由 加载对象主动运动引起的多余力矩。 多余力矩是加载领域的一个工程用语，并没有十分严格的宁 义.诵常是指 西北工业大学硕 学位论文 第 一 章绪论 “ 加载系统不加任何补偿或控制措施，加载指令设为零， 此时由加载对象带动 运动时在加载系统输出端所表现出 来的力 矩” 。 多余力矩主要是由 加载系统自 身 特性所决定的。如果忽略加载系 统的非 线性因素而将系统视为线性系统， 多余 力矩在数值上等于加载系统为了跟随加载对象的主动运动而消耗的控制量在单 独作用到加载执行机构上 ( 此时 加载机构输出端连接到刚度无穷大的固定机构 上 )将会产生的力矩输出。 式1 . 1 给出 的 是电 动负 载 模 拟 器 系 统 线 性 模 型 的 一 般形 式 ， 其 中t , 为 输 出 力 矩: k 为电 机 控制 电 压: b ; 为 加 载 对 象 运 动 角 速 度 ;n , ( s ) / d ( s ) 为 控 制 电 压 到输出 力矩之间的传递函数;n , ( s ) l d ( s ) 为加载系统角速度信号到输出扭 矩之 间的等效传递函数，该项对应于上述的多余力矩。 n, ( s ) - k一 n, ( s ) - b , d( s ) ( 1 . 1 ) 由 该式可见，多余力矩的幅 值随加载对象运动幅值、 频率的增加而增大， 它的其存在严重影响加载系统的 控制性能和加载精度， 本文第二章对此有较为 详细的仿真分析。多余力矩抑制问题是所有被动式加载系统的共有难题，对它 的抑制是这类系统控制问题中最主要的技术难点。 从 控制理论的角度来看，负 载模拟器多余力矩是由 角速度扰动 引起的输出 误差， 可以 用前馈方法将其消去。 但是由于 补偿信号源是b ， 的a / d信号 ( 角 速 度传感器动态特性差， 故使用角位移传感器) ， 而前 馈的输入点又必须在电 机控 制 器 之 前， 使 得 补 偿器 是， - n , ( s ) 这 样一 个 三 阶多 项 式的 形 式， 微 分作 用 强， 在实际环境下这种直接意义上的前馈补偿方法无法实现。课题中在系统前向通 道校正的基础_ l 实现了 改进的前 馈补偿， 较好的解决了困 扰电动负 载模拟 器系 统性能的多余力矩问 题，相关内 容详见第四章 算法控制部分。 影响系统加载性能的另一个重要因素是摩擦。 作为加载系统执行机构的力 矩电机是有刷的，其内 部存在一定的摩擦力， 虽然不是很大，但对于系统加载 性能的影响是不可以忽略的。以课题中选用的电机为例，电机的实测摩擦力矩 西北工业大学硕 卜 学位论文 第 一 章纬 论 为 0 . 7 n m 左右，系统的额定设计输出只有 1 5 n m，而加载指令通常只有+3 - 5 n m ，因此摩擦力的影响不能忽视。 本文的 第四章对一般摩擦问 题以 及电机摩 擦问 题作了讨论，并给出了 在课题中使用的摩擦补偿算法。 综上所述，电动负载模拟器的技术难点主要是多余力矩抑制问题，其次是 电机输出摩擦，它们是系统性能的主要影响因素。 1 . 3控制策略的选取 1 .3 . 1控制方法研究进展 电液负载模拟器的应用己经有很长一段时间， 有许多 卓有成效的 研究工作。 刘长年及王占 林等人在国内较早的涉及了电液伺服加载系统的有关工作， 研 究了 基于二次型最佳性能 指标的 线性最 优控制理论在电 液伺服系统中的应用。 林 建 亚 及 路甫 祥 等 人 针 对电 液 伺服 加载 系 统的 特点， 研究了 模 型 参 考自 适 应 控制 在 试验机液 压伺服系统中的 应用， 提出了电 液位置伺 服系统的自 适应控制。丁崇生 等人研究了 模型参考自 适应控制在机器人电液 伺服系统中的应用。 李运华等人对 液压伺服系统的非 线性控制方法进行了 研究， 提出了一种离散变结构控制方法。 何玉彬等人将神经网络控制方法引入电液伺服的 自 适应控制中。还有人将电液加 载系统看作多变量系统， 采用多变量解9控制理论来消除多余力矩。 在控制理论方面，出现了一些现代的智能控制方法。 最近， 随着智能控制的发 展， 利用神经网 络构建自 适应控制器 成为一些论文 研究的热点。其原理是把稳健自 适应系统理论和神经网络理论相结合，利 用神经 网络能以任意精度逼近在紧密集上的任意连续实函数 ( 即非线性函数逼近能力 ) ， 为 非线性动态系统的辨识和控制 提供了一种很有利的新工具。 沙道航等提出 一种 基于神经网 络p i 自 适应控制策略， 可以 较好的 改善非 线性伺服控制系统的 鲁棒性 和动静态特性。 翟传润等提出采用c m a c 神经网 络控制器可以提高系统的自 适应能 力和鲁棒性。 蒋志明 等提出采用c m a c 的自 学习 控制器， 可以 解决具有参数不确定 和时变外扰动的位置 伺服系 统的高精度控制问 题， 该控制器使跟踪 连续变化的信 号成为可能。 还有一些论文提出了将神经网络与经典 控制相结合的控制器，在仿 真中取得了不错的控制效果。这些现代方法本身比较复杂，并且使用时有较强的 西北工业大学硕 卜 学位论文 第 一 章纬 论 为 0 . 7 n m 左右，系统的额定设计输出只有 1 5 n m，而加载指令通常只有+3 - 5 n m ，因此摩擦力的影响不能忽视。 本文的 第四章对一般摩擦问 题以 及电机摩 擦问 题作了讨论，并给出了 在课题中使用的摩擦补偿算法。 综上所述，电动负载模拟器的技术难点主要是多余力矩抑制问题，其次是 电机输出摩擦，它们是系统性能的主要影响因素。 1 . 3控制策略的选取 1 .3 . 1控制方法研究进展 电液负载模拟器的应用己经有很长一段时间， 有许多 卓有成效的 研究工作。 刘长年及王占 林等人在国内较早的涉及了电液伺服加载系统的有关工作， 研 究了 基于二次型最佳性能 指标的 线性最 优控制理论在电 液伺服系统中的应用。 林 建 亚 及 路甫 祥 等 人 针 对电 液 伺服 加载 系 统的 特点， 研究了 模 型 参 考自 适 应 控制 在 试验机液 压伺服系统中的 应用， 提出了电 液位置伺 服系统的自 适应控制。丁崇生 等人研究了 模型参考自 适应控制在机器人电液 伺服系统中的应用。 李运华等人对 液压伺服系统的非 线性控制方法进行了 研究， 提出了一种离散变结构控制方法。 何玉彬等人将神经网络控制方法引入电液伺服的 自 适应控制中。还有人将电液加 载系统看作多变量系统， 采用多变量解9控制理论来消除多余力矩。 在控制理论方面，出现了一些现代的智能控制方法。 最近， 随着智能控制的发 展， 利用神经网 络构建自 适应控制器 成为一些论文 研究的热点。其原理是把稳健自 适应系统理论和神经网络理论相结合，利 用神经 网络能以任意精度逼近在紧密集上的任意连续实函数 ( 即非线性函数逼近能力 ) ， 为 非线性动态系统的辨识和控制 提供了一种很有利的新工具。 沙道航等提出 一种 基于神经网 络p i 自 适应控制策略， 可以 较好的 改善非 线性伺服控制系统的 鲁棒性 和动静态特性。 翟传润等提出采用c m a c 神经网 络控制器可以提高系统的自 适应能 力和鲁棒性。 蒋志明 等提出采用c m a c 的自 学习 控制器， 可以 解决具有参数不确定 和时变外扰动的位置 伺服系 统的高精度控制问 题， 该控制器使跟踪 连续变化的信 号成为可能。 还有一些论文提出了将神经网络与经典 控制相结合的控制器，在仿 真中取得了不错的控制效果。这些现代方法本身比较复杂，并且使用时有较强的 西北工业大学硕 卜 学位论文 第 一 章纬 论 为 0 . 7 n m 左右，系统的额定设计输出只有 1 5 n m，而加载指令通常只有+3 - 5 n m ，因此摩擦力的影响不能忽视。 本文的 第四章对一般摩擦问 题以 及电机摩 擦问 题作了讨论，并给出了 在课题中使用的摩擦补偿算法。 综上所述，电动负载模拟器的技术难点主要是多余力矩抑制问题，其次是 电机输出摩擦，它们是系统性能的主要影响因素。 1 . 3控制策略的选取 1 .3 . 1控制方法研究进展 电液负载模拟器的应用己经有很长一段时间， 有许多 卓有成效的 研究工作。 刘长年及王占 林等人在国内较早的涉及了电液伺服加载系统的有关工作， 研 究了 基于二次型最佳性能 指标的 线性最 优控制理论在电 液伺服系统中的应用。 林 建 亚 及 路甫 祥 等 人 针 对电 液 伺服 加载 系 统的 特点， 研究了 模 型 参 考自 适 应 控制 在 试验机液 压伺服系统中的 应用， 提出了电 液位置伺 服系统的自 适应控制。丁崇生 等人研究了 模型参考自 适应控制在机器人电液 伺服系统中的应用。 李运华等人对 液压伺服系统的非 线性控制方法进行了 研究， 提出了一种离散变结构控制方法。 何玉彬等人将神经网络控制方法引入电液伺服的 自 适应控制中。还有人将电液加 载系统看作多变量系统， 采用多变量解9控制理论来消除多余力矩。 在控制理论方面，出现了一些现代的智能控制方法。 最近， 随着智能控制的发 展， 利用神经网 络构建自 适应控制器 成为一些论文 研究的热点。其原理是把稳健自 适应系统理论和神经网络理论相结合，利 用神经 网络能以任意精度逼近在紧密集上的任意连续实函数 ( 即非线性函数逼近能力 ) ， 为 非线性动态系统的辨识和控制 提供了一种很有利的新工具。 沙道航等提出 一种 基于神经网 络p i 自 适应控制策略， 可以 较好的 改善非 线性伺服控制系统的 鲁棒性 和动静态特性。 翟传润等提出采用c m a c 神经网 络控制器可以提高系统的自 适应能 力和鲁棒性。 蒋志明 等提出采用c m a c 的自 学习 控制器， 可以 解决具有参数不确定 和时变外扰动的位置 伺服系 统的高精度控制问 题， 该控制器使跟踪 连续变化的信 号成为可能。 还有一些论文提出了将神经网络与经典 控制相结合的控制器，在仿 真中取得了不错的控制效果。这些现代方法本身比较复杂，并且使用时有较强的 西北工业大学倾 卜 学位论文第一章绪论 条件限制，有待工程应用的检验，但它们本身代表控制方法研究中的新方向， 值 得期待。 1 .3 .2工程中的控制方法 被动式负 载模拟器系统中 最主要的干扰来自 于位置扰动引 起的多余力矩， 其 控制器设计的主要任务是消除多余力矩。 目 前工程中消除多 余力 矩的方法主要是前 馈补偿法、 多变量解祸法、 辅助同 步方法、力矩反馈法和加载对象壳体同步反馈法等。在以上的方法中，除了加载 对象壳体同步反馈法外其他方法都是采用软件来克服多余力矩。 前馈补偿法:根据线性系统理论从系统传递函 数入手，采用抵消原理抵 消系统传递函数中的多余力 矩作用项。该方法在工程中应用最多，其存在的主 要问 题是直接、完全实现比 较困 难。 多变量的解藕控制方法: 将加 载系统 看成是多变量系 统， 取承载对象和 加载系统的输入信号作为输入量，输出 信号 作为输出量，引 入解祸控制器，选 择合适的解藕器参数，即可消除多余力矩。但是多变量解藕控制器模型中有较 强的 微分环节，很难实现。 力矩反馈方法:该方法是通过合理的 设计反馈通道上的 传递函数 来对加 载系统中的动态性能进行校正以抑制多余力矩。当多余力矩与加载指令频带混 叠时该方法无法区分多余力矩和正常的加载输出，因此效果有限。 辅助同步方法:该方法是在加载系统中 增加一 个位置补偿环节， 将承载 对象的输出信号引到力函数发生器，以产生加载所需的指令信号，在某种程度 上类似前馈补偿。 加载对象壳体同步反 馈法 ( 简 称同步法)， 这种方法的目 的是 减小 扰动源 扰动强度的 大小， 但也增加了系统的复杂性，同时在中频段及承载对象运动幅 度 较大时，出现多余力矩反而增大等一些难以克服的问题。 1 .3 . 3课题中采用的控制方法 由 于结合实际课题， 选取控制方 法时以系 统性能为根本出发点， 主要注重方 法的可实现以及实际应用效果。课题中采用的控制方法以改进的前馈补偿方法为 西北工业大学倾 卜 学位论文第一章绪论 条件限制，有待工程应用的检验，但它们本身代表控制方法研究中的新方向， 值 得期待。 1 .3 .2工程中的控制方法 被动式负 载模拟器系统中 最主要的干扰来自 于位置扰动引 起的多余力矩， 其 控制器设计的主要任务是消除多余力矩。 目 前工程中消除多 余力 矩的方法主要是前 馈补偿法、 多变量解祸法、 辅助同 步方法、力矩反馈法和加载对象壳体同步反馈法等。在以上的方法中，除了加载 对象壳体同步反馈法外其他方法都是采用软件来克服多余力矩。 前馈补偿法:根据线性系统理论从系统传递函 数入手，采用抵消原理抵 消系统传递函数中的多余力 矩作用项。该方法在工程中应用最多，其存在的主 要问 题是直接、完全实现比 较困 难。 多变量的解藕控制方法: 将加 载系统 看成是多变量系 统， 取承载对象和 加载系统的输入信号作为输入量，输出 信号 作为输出量，引 入解祸控制器，选 择合适的解藕器参数，即可消除多余力矩。但是多变量解藕控制器模型中有较 强的 微分环节，很难实现。 力矩反馈方法:该方法是通过合理的 设计反馈通道上的 传递函数 来对加 载系统中的动态性能进行校正以抑制多余力矩。当多余力矩与加载指令频带混 叠时该方法无法区分多余力矩和正常的加载输出，因此效果有限。 辅助同步方法:该方法是在加载系统中 增加一 个位置补偿环节， 将承载 对象的输出信号引到力函数发生器，以产生加载所需的指令信号，在某种程度 上类似前馈补偿。 加载对象壳体同步反 馈法 ( 简 称同步法)， 这种方法的目 的是 减小 扰动源 扰动强度的 大小， 但也增加了系统的复杂性，同时在中频段及承载对象运动幅 度 较大时，出现多余力矩反而增大等一些难以克服的问题。 1 .3 . 3课题中采用的控制方法 由 于结合实际课题， 选取控制方 法时以系 统性能为根本出发点， 主要注重方 法的可实现以及实际应用效果。课题中采用的控制方法以改进的前馈补偿方法为 西北工业大学倾 卜 学位论文第一章绪论 条件限制，有待工程应用的检验，但它们本身代表控制方法研究中的新方向， 值 得期待。 1 .3 .2工程中的控制方法 被动式负 载模拟器系统中 最主要的干扰来自 于位置扰动引 起的多余力矩， 其 控制器设计的主要任务是消除多余力矩。 目 前工程中消除多 余力 矩的方法主要是前 馈补偿法、 多变量解祸法、 辅助同 步方法、力矩反馈法和加载对象壳体同步反馈法等。在以上的方法中，除了加载 对象壳体同步反馈法外其他方法都是采用软件来克服多余力矩。 前馈补偿法:根据线性系统理论从系统传递函 数入手，采用抵消原理抵 消系统传递函数中的多余力 矩作用项。该方法在工程中应用最多，其存在的主 要问 题是直接、完全实现比 较困 难。 多变量的解藕控制方法: 将加 载系统 看成是多变量系 统， 取承载对象和 加载系统的输入信号作为输入量，输出 信号 作为输出量，引 入解祸控制器，选 择合适的解藕器参数，即可消除多余力矩。但是多变量解藕控制器模型中有较 强的 微分环节，很难实现。 力矩反馈方法:该方法是通过合理的 设计反馈通道上的 传递函数 来对加 载系统中的动态性能进行校正以抑制多余力矩。当多余力矩与加载指令频带混 叠时该方法无法区分多余力矩和正常的加载输出，因此效果有限。 辅助同步方法:该方法是在加载系统中 增加一 个位置补偿环节， 将承载 对象的输出信号引到力函数发生器，以产生加载所需的指令信号，在某种程度 上类似前馈补偿。 加载对象壳体同步反 馈法 ( 简 称同步法)， 这种方法的目 的是 减小 扰动源 扰动强度的 大小， 但也增加了系统的复杂性，同时在中频段及承载对象运动幅 度 较大时，出现多余力矩反而增大等一些难以克服的问题。 1 .3 . 3课题中采用的控制方法 由 于结合实际课题， 选取控制方 法时以系 统性能为根本出发点， 主要注重方 法的可实现以及实际应用效果。课题中采用的控制方法以改进的前馈补偿方法为 西北工业大学硕 学位论文第一章绪论 核心，并使用了一些信号处理方法改善系统性能。 通常认为前馈补偿方法没有考虑伺服系统的非线性及不确定等因素，当系统 参数发生变化时，消除多余力矩的效果会变差，并且不容易完全实现，使其应用 范围受限。但是，在课题攻关过程中发现，电动负载模拟器系统参数变化小、非 线性因素少 尤其是在i o h z 以下时)， 对于这 样一类系统， 经典 方法的控制效 果 也是相当理想的。 实际应用结果表明， 本文选取的控制方法行之有效。 只是当加载对象作高频、 小幅值抖动时系统性能不是十分理想，有待采用其他方法作进一步的改善。 1 .4课题来源 论文所研究 内容来源于为某飞控仿真系统配套的六通道负载模拟器这一科 研项目，主要设计性能如下: 通道数 6 运动范围 士 3 0 0 最大角速度2 0 0 / s 力 矩 输 出 范围0 .1 - 1 5 n m ， 分 辨 率 。 .0 2 n m 控制精度: 稳态误差 0 . 5 %f s 动态误差 2 %f s 多余力矩: 操纵输入(i o h z 时，不大于 5 %f s 操纵输入2 0 h z时，不大于 7 % f s . .5论文研究内容 本文 中 完 成的 主 要 工 作 如下 : 建立了 负载模拟器系统的数 学模型。 并 在此基础_匕 通过仿真详细研究了 加载系统自 身特性及多余力矩。在所建立的数学模型的 基础上分析了 这类系统 的公共频率特性，针对多余力矩的产生机理提出了完整、有效且在工程中可实 现的前馈补偿方法，在很大程度上解决了加载系统的多余力矩问题。 西北工业大学硕 学位论文第一章绪论 核心，并使用了一些信号处理方法改善系统性能。 通常认为前馈补偿方法没有考虑伺服系统的非线性及不确定等因素，当系统 参数发生变化时，消除多余力矩的效果