（机械电子工程专业论文）舵机动态加载系统控制仿真研究.pdf

西北工业大学硕士毕业论文 摘要 摘要 舵机动态加载系统是在试验室条件下复现飞行器在空中飞行时舵面所受负载 力矩的仿真设备，用以检测和考核舵机系统在实际负载条件下的动态性能、控制 精度、系统可靠性等。随着国防工业的发展，对此类的伺服系统需求越来越多， 而且对其技术指标也提出了更高的要求。论文所研究的对象是电动式负载模拟器， 属于典型的被动式力矩加载系统，受舵系统的强位置干扰，不可避免的存在多余 力矩。由于执行机构的不同，电动负载模拟器还存在许多不同于电液负载模拟器 的问题，针对电动负载模拟器的特有和普遍问题，提出有效的控制方法。 论文首先综述了负载模拟器的基本工作原理和发展现状，指出负载模拟器的 难点和关键问题是多余力的抑制。其次建立电动加载系统的数学模型，重点分析 了加载系统的动静态特性，为提高系统的频宽及跟踪精度，提出微分先行p d 控 制器，为消除多余力矩干扰，采用结构不变性前馈补偿方案，该控制方法对于线 性系统起到了很好的补偿效果。论文进一步分析了加载系统的各种不确定因素， 对这种系统，经典控制理论已不再满足要求。论文第四章依据神经网络的非线性 逼近和自学习能力，基于结构不变性前馈补偿原理的基础上，提出了一种基于神 经网络复合控制法消除多余力矩，通过仿真分析可以看出，复合控制器能有效的 对加载系统进行辨识、控制，使加载系统的动态性能得到明显的改善。文中第五 章将滑模自适应控制法应用到负载模拟器进行研究分析，变结构控制是一种可以 实现滑动模态与系统的外干扰和参数摄动无关的非线性控制方法，算法不仅简单， 而且全局稳定，仿真结果表明，该方法既保证了系统的快速性和良好的跟踪精度， 且有较强的鲁棒性。 最后，论文论述了各种控制律在加载系统的优缺点，对以后电动负载模拟器 的研制有一定的参考价值。 关键词：动态加载，电动负载模拟器，多余力矩，神经网络，前馈补偿， 滑模变结构，自适应 西北工业大学硕士毕业论文 a b s 仃a c t a b s t r a c t t h en l d d e rd y n a m i cl o a d i n gs y s t 锄i ss i m u l a t i v ec q u i p m e ms i m u l a t i n gt l l e a e m d y n 锄i ct o r q u el o a d so nt h ef l i g h tv e t l i c l eu n d c rla _ b o r a t o r yc o n d i t i o i l s ni su s e dt o d e t o c t 锄dc h c c ka l ll 【i n d so fp e r f b n n 锄c ei n d c xo fm em d d c rd r i v i n gs y s t 锄，鲫c h 勰 d y n 锄i cp 柏m 锄c 豁，c o n 仃0 lp r c c i s i o n ，s y s t 锄l i a b i l i t ye c c w i t ht l l ed e v e l o p m t o fn a t i o n a ld e f b n s ei n d u s 仃y ，n o to n l yt 1 1 ed e i n a n df o rl o a d i n gs 曲u l a t o ri sg r o w i n 舀b m a l s om c r c q u c s to f i t st e c l l i l i c a li n d c xb e c o m el l i 9 1 l 既t h eo b j e c to f r e s e a r c hi se l e c c a l t o r q u cl o a d i n gs i i i l m a t o r b e c a 啊ei ti sa 虹n do f t y p i c a lp 船s i v et o r q u el o a d i n gs y s t 锄， i ti si 1 1 e v j t a b l et 1 1 a tl a r g e f p l l l st o r q u ew i l lb ec a 邺e db ys t r o n gd i s t i l r b a n c eo fn l d d c r d i s p l 锄c n t f l l n h e r i 】1 0 f e ，s i n c ci t sa c t i l a t o ri sp e 如1 锄e n tm a 弘c td c s e r v om o t o r s ，i t h 髂m 锄yl l i l i q u ec h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i n gw i t l le l e c 仃o - h y d f a l u l i cl o a d i n gs i m u l a t o r a i m i n ga ts p e c i a l 锄dg c n e m lp m b l 锄so ft l l em o t o rt o r q u el o a d i n gs i m u l a t o r m i s d i s s e n a t i o np u t sf b 刑a r de 行e c t i v ec o n t i o lm e t l l o d st oi m p r o v et h es y s t e l i lp c r f b 肋a n c 嚣 a f t c rs u i n m a r i z i i l gt l l eb 勰i co p 枷o n a lp 痂c i p l e 锄dd e v e l o p m e n to fl o a d s i l i l u l a t o r i tt i l l l 塔o u tm a tt h ek e yp r o b l 锄o fl o a d i n gs i m u l a t o ri se l i m i n a t i n gt h e s u r p l 哪t o r q u e t h 饥t l l em a t h e m a t i c a lm o d e lo f l o a d i n gs i m u l a t o ri se s t a b l i s h e d 柚dm e s 协t i ca n dd y 瑚m i cp e r f b m 锄c ei s 锄a l y z e di nd e t a i l d i e r 锄t i a lf o n 】l r a r dp di s i n 昀d u c e dt oi m p m v e 厅e q u e n c yb a l l da n ds t m c t i l 舱i n v 撕a l i c ep r i n c i p l et 0e l i m i i i a t e s p l 璐t o r q u e g o o dc o 瑚p 娜a t i o ne 插e c tc a nb el e a m e d 丘o ml i i l e a rc s t a n ts y s t e m h l m ed i s s e n a t i o n ，也en 0 1 l l i n e 盯i n 伊e d i c n t so fl o a d j i l gs y s t 锄a r e 锄a l y z c d i ti so b v i o 邺 m a tt h ec o n v e l l t i o n a lc 们lm e t h o dc 锄t 1 v em o s ep r o b l e i i l s i nc h a p t e ri v ， c o r d i n gt ot l l e1 e a r i l i n gc h a m c t e r i s t i ca n dt h ef h n c t i o na p p r o x i m a t i o nd b i l i t yo f n e u r a l n e 觚o r k ，ah y b r i dc o t 由_ o ls c h 锄eb a s e do ns p e c df 曲d f o n a r dc o n 仃o l i sp f o p o s e d t h e s i m u l a t i o nr 豁u l t ss h o w e dt h a tt l l eh y b r i dc o n 仃o l l c rc o u l di n l p r o v et h ed y n a l l l i cl o a d i n g p e r f b 咖a i l c 鼯缅r l yt h r o u 曲i d e i l t i 丘c a t i o na n dc o n 仃0 1 a d a p t i v es l i d i n gm o d cv 撕曲l e s 仇l c t 眦c o n 咖lm c i h o dw 豁a p p l i c dt ol o a ds i i i l u l a t o ri l lc h a p t e rvs l i d i n gm o d c v a r ia ：b l es 仇l c t i l r cc o n 订o li san o n l i n e a rc o n t r o lm e t h o d 也a ti sc o m p l e t ei n d e p e n d e n c e s l i d i n gm o d e 锄d d i s t i l r b a n c eo u t s i d et o g e t l l e rw i t l lp a r a m c t c rv i b 础o nt h ec o n 仃0 1 a r i t h r n e t i ci ss i m p i ea n dc o i l v e r g 饥ti l lt l l ew h 0 1 c n 圮s i m u l a t i o nr c s u l ts h o w st h a tt h e s d l e m ei m p m v 懿t l l ed y i l a m i cp e r f b m l a n c eo ft 1 1 e l o a d i i l gs y s t 锄e 珏b c t i v e l ya i l d e na _ b l e st l l er a p i d i t ya i l d 仃a c l ( i n g c u r a c y f i n a l l y ，m cm 谢t s 锄dn a w so ft h ed i 虢r e n tc o n 仃o l l a w si nt h i s 删e m 躺 柚a l y z c d nc 觚p m v i d e m en e wi n f o l m a t i o ni i le l e c m cl o a d i n gs y s t e m sf h 九l l e r i n v e s t 适a t i k e y w o r d s ：d ”枷c1 0 a d ，m o t o rt o r q u cl o a d i n gs i i i l u l a t o r ，s u r p l l l st o r q u e ，n e 删 n c t w o r k ，f c e d f o n ) l ，a r dc o m p e n s a t i o n s l i d i n gm o d ev a r ia _ b l es m l c t l l r e ， a d a p t i v e 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写 的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：翻西亟 指导教师签名：墨塑蠹， 呷年弓月弩日加_ 7 年弓月弩日 f 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：j 基翥亟 御7 年，月筇日 西北工业人学硕士毕业论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义及必要性 舵机动态加载试验系统是用于某型舵机的负载模拟试验的装置。其作用是在 实验室条件下模拟飞行器舵系统在飞行过程中所受的各种负载力矩，包括惯性力 矩、阻尼力矩、干扰力矩和空气动力所产生的铰链力矩，用于全面检测和验证舵 系统在实际飞行器飞行过程中动态性能和控制精度，进而优化飞行器的舵系统， 改进飞行器舵系统的机动性、操作性和可靠性。将经典的全实物试验转化为实验 室条件下的半物理预测性试验，以达到缩短研制周期、节约研究经费、提高可靠 性和成功率的目的。 本论文所研究的加载系统是一个电动加载系统( 电动负载模拟器) 。近年来以 电动机为动力执行机构的负载模拟器受到越来越多的关注，原因有以下几个方面。 其一：由于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；其二：随着电机高磁场永磁材料的广泛应用和电子技术的不断提高， 出现了体积小，惯性低，响应快以及具有高转矩惯量比和高转速重量比的力矩电 机；其三：随着电动机驱动理论的应用和控制理论的研究也不断深入，出现了不 少新的控制策略，也为电动负载模拟器研究提供了坚实的基础和广阔的空间；其 四：相对电液负载模拟器而言，电动加载系统具有以下优点：固定场合容易获取 动力，电能转化为机械能容易；能获得较好的低速性和较大的调速范围；控制和 调节比较容易并且无污染等；其五：与电液负载模拟器相同，电动负载模拟器也 存在多余力矩的影响。但是长期以来由于电动负载模拟器存在加载频带较窄，输 出力矩较小，同时电机存在堵转时的发热问题和大功率开关器件的高速通断及寿 命等问题，到目前为止，尚处于理论探索和试验阶段。而且对于多余力矩的抑制， 现有的控制方法还存在不同的缺陷。随着对飞行器机动性和控制精度要求的不断 提高，对负载模拟器的频率相应和加载精度等各方面都提出了更高的要求。因此 对于电动负载模拟器进行深入的理论研究和分析，具有重要的理论价值和现实意 义。 1 2 加载系统的工作原理 加载系统可以是液压马达驱动，也可以是电机驱动，本系统加载系统是电机 驱动，其结构原理图如图l 一1 所示。本文以电机驱动为例说明加载系统的工作原 理。 西北工业大学硕士毕业论文第1 章绪论 8 。 9 f 图l 一1 电动加载系统原理图 1 加载伺服系统，2 扭矩传感器，3 、惯性负载，4 、弹性刚度 5 、舵机伺服系统，6 、角位置传感器，7 、8 控制器 图中左侧是用于给舵机加载的加载系统，用以模拟飞行器飞行过程中的铰链 力矩，右侧是用于模拟舵机摆角位移的舵机系统，在该系统中为承载对象，两者 通过连接轴同轴联接。在负载模拟器工作过程中，舵机系统按照一定的指令信号先 运动，输出信号口，经过力函数发生器强迫加载马达一起转动。加载系统的转动状 态是由舵机决定的，而输出力矩是由舵机和转角相关联的力函数决定的，同时要 保证这两种运动，将在加载电机中引起运动状态和输出力矩之间的耦合作用。正 是由于这中耦合作用的存在，想要保证加载系统输出要求的力矩载荷谱，则必然 对输出力产生干扰，这正是多余力矩产生的根源。而对加载系统而言，舵机转动 直接作用在加载电机上，所以多余力矩是不可避免的。多余力矩的混入严重影响 了负载模拟器的跟踪精度，甚至会严重破坏负载模拟器，尤其在换向时，表现的 更为显著。因此如何抑制多余力矩是负载模拟器中研究的关键技术问题。 1 3 负载模拟器的概况 1 3 1 负载模拟器的发展现状 负载模拟器的许多性能指标都和多余力矩有关，负载模拟器的发展历程从某 个方面来说也就是对多余力矩抑制发展过程。近2 0 年来，国内外学者从系统结构 补偿( 硬件方面) 和加载控制策略补偿( 软件方面) 开展了对电液负载模拟器多 余力矩抑制的理论和方法研究i ，现将两类多余力补偿及控制性能改善方法归纳 如下： 1 3 1 1 结构补偿法 系统结构补偿方法叼是从加载系统的机械结构入手，通过增加辅助环节来消 除舵机系统扰动在加载系统中引起的多余力矩。按照结构补偿的范围不同可以分 为两类。一类是对系统的个别参数进行调整，理论上只能消除部分多余力，主要 2 谣北工业大学硕士毕业论文第1 章绪论 方法有： ( 1 ) 安装连通孔：在加载系统中采用进、出油腔之间安装连通孔的零开口流 量阀。其优点为压力流量负载曲线斜率大，由流量变化引起的压力变化大大减少， 可极大地降低多余力值【5 】。不足之处是曲线弯扭，线性度差，且液动力不能起到 弹簧的作用，在高频时容易引起阀的自激振荡。优点是曲线斜率大，由流量变化 引起的压力变化大大减小，可以极大降低多余力矩的量值。 ( 2 ) 安装蓄压器：此方法是由西北工业大学提出的1 6 】其方法是在加载缸的两 腔分别连接一个蓄压器，这相当于改变了油缸的容积及弹性模数，使系统的极点 重新分布，借此来改变加载系统的传递函数，从而提高其性能。用此方法可克服 一定的多余力。其缺点是校正效果与载荷大小及加载梯度有关，从而限制了此种 方法的通用性。 ( 3 ) 安装缓冲弹簧p l ：在承载对象与施力系统之间机械连接处加一个弹性环 节，调节承载对象与施力系统之间的连接刚度；由于连接刚度的降低，延缓了承 载对象位置运动对施力系统的干扰作用，从而减小多余力，但同时也降低了系统 的频宽。 另一类结构补偿法是对负载模拟器的被动结构进行完全补偿，迫使加载系统完 全工作于主动运动的方式，以达到完全消除多余力的目的，这类补偿方法有： ( 4 ) 同步反向补偿：用一个补偿缸和加载缸并联，且其运动方向与加载活塞 运动方向相反，用补偿缸来吸收或补充由于承载对象位置扰动引起的强迫流量。 如果条件允许，这种方法可以出现理想的结果，可实际上要达到这一要求非常困 难，因为补偿缸的驱动机构比较复杂，且每更换一个被加载对象就要调整一次补 偿参数。 ( 5 ) 双阀流量补偿控制：在加载系统液压缸的两腔相对于加载伺服阀位置处 再并联一个流量伺服阀1 8 】【9 ) ，工作原理是将舵机轴系统成比例的强迫流量转移到加 载马达的另一腔，借以抵消强迫流量，从而减小多余力的干扰。 ( 6 ) 位置同步补偿：同步补偿是在加载马达和基座之间引入一个位置同步补 偿马达，同步马达与舵机受同一信号控制而运动，使原来由加载马达承担的加载 任务由加载马达和同步马达来承担，使作用在加载马达上的位置扰动接近零，从 而消除多余力矩的影响。 采用机械机构设计对多余力抑制具有性能稳定、可靠性好等优点，但这类方 法费用高，加工和安装精度要求高。由于软件控制具有耗资小，设计调试方便等 优点，因而很多学者对采用控制方法抑制负载模拟系统多余力矩进行了深入的研 究。 1 3 1 2 控制补偿法 ( 1 ) 结构不变性原理：通过对加载对象的速度信号进行反馈来减小多余 西北工业大学硕士毕业论文第l 章绪论 力。用此方法克服多余力也称同步补偿克服多余力。此方法简单易行，减小多余 力的效果又较好，目前工程上普遍采用的控制方法，但由于加载系统本身是一个 复杂的非线性系统，因此只能是结构不变性原理的近似补偿。 ( 2 ) 多变量解耦控制：将加载系统看成是多变量系统，取承载对象和加载对 象的输入信号为输入量，对象系统和加载系统的输出为输出量，引入解耦控制器， 适当选择解耦参数即可减小多余力。该方法中由于解耦环节含有高阶微分环节， 物理上难以实现，因此必须对解耦控制器进行简化，实现近似解耦。 ( 3 ) 辅助同步补偿：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，产生加载系统所需的指令信号；同时承载对象的输入 指令信号引到加载系统，使得加载作动筒与承载对象一起运动，达到消除多余力 的目的。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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 2 负载模拟器的分类 加载系统按照加载执行元件的不同可分为机械式负载模拟器，液压负载模拟 器和电动负载模拟器机械式负载模拟器首先出现的，这种负载模拟器的优点是 加载精度高，没有多余力矩，其缺点是不能实现任意力函数。7 0 年代初，研制出 液压式负载模拟器，电液负载模拟器以精度高，频带宽，力矩大而在负载模拟器 中占主导地位，但是其机械结构复杂，重量体积大，而且它们与主控制器可传递 的信息量小、响应慢，摩擦力较大，启动缓慢，同时还需要一套油泵、泵站和相 应的油路支持，从而大大提高了成本。随着伺服电动机及电力电子器件性能的提 高，在要求输出力矩较小且加载精度要求较高时，使应用电动负载模拟器加载成 为可能，电动负载模拟器具有响应快、结构简单，重量体积小，控制方便等优点 但它的力矩较小。作为负载仿真领域新的研究方向，本课题将对电动负载模拟进 行研究。 按照加载对象的是否运动可分为被动式加载和主动加载两种类型。一种是对 结构、材料进行静、动强度试验的加载系统，它以承载对象在作用过程中始终保 持静止状态为前提，可称为静止加载或主动加载。由于承载对象静止不动，所以 这类系统的结构比较简单，校正容易实现。另一种是对有主动运动的承载对象进 行加载，如对舵机、起落架系统等的加载，称为运动加载或被动式加载。这类系 统由于承载对象运动的干扰，使系统的结构复杂，分析和设计都比较困难。在本 4 西北工业大学硕士毕业论文第l 章绪论 课题研究的是被动式加载系统。 1 3 3 负载模拟器的难点问题 舵机动态加载系统中，由舵机运动引起的多余力矩会严重影响系统的加载精 度，也会使系统的频宽变窄，稳定性变坏。因此如何克服多余力矩是设计负载模 拟器、改善系统性能的关键问题，也是负载模拟器的难点问题。 从控制原理来讲，多余力是由位置干扰引起输出误差而产生的，只要补偿了 由位置系统引起的干扰，就可以实现较精确的跟踪，但事实并非如此，负载模拟 器存在如下因素导致多余力矩难以完全消除。 ( 1 ) 加载系统要求不仅能够高精度的跟踪各种载荷谱，而且能够随着承载对 象快速运动，这样导致舵机运动所引起的多余力直接作用于输出端，而且没有任 何的滞后环节。任何补偿措施都要通过控制器起作用，而控制信号相对于输出有 一定程度的滞后，因而难以实现点点补偿跟踪。 ( 2 ) 被动式加载系统中，加载系统的输出力包括两种成分，一种是在指令信 号的作用下希望输出力；另一种是由舵机主动运动导致的多余力矩，所以多余力 同时受到加载元件和承载对象运动参量影响，这就给消除多余力带来了复杂性。 实际上这两个作用又是统一的，只有很好的跟踪了承载对象的运动，干扰力才会 减小，加载的精度才会提高；反之亦然。 ( 3 ) 加载系统的非线性和参数时变性，使得加载系统的传递函数随着工作环 境和条件不同而发生变化，尤其是补偿由舵机系统主动引起的多余力矩的补偿控 制环节参数的变化。所以采用对消方法的函数关系应具备时变、非线性的能力， 才能保持所需的加载精度和响应特性，这就使加载系统的控制变的更加复杂和困 难。 综上所述，采用适当的措施消除或抑制多余力( 矩) 的影响，是加载系统的 最关键的问题。 1 4 控制策略的选取 传统的控制方法是基于精确的数学模型的基础上，为了需要，在建模时往往 忽略了系统中的非线性因素。事实上，负载模拟器在一定程度上存在死区、限幅、 间隙、弹性形变以及外界环境的影响，使得控制器的设计变的复杂。随着智能控 制的发展，应用智能控制理论构建自适应控制器成为负载模拟器研究新的热点。 主要有以下几个方面： ( 1 ) 神经网络控制：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。但由于神 经网络结构复杂，因此目前应用到实时控制中的还比较少。 西北工业大学硕士毕业论文第l 章绪论 ( 2 ) 模糊自适应控制：采用在非线性前馈校正基础上的模糊自适应控制策略 消除系统的多余力，适用于被控过程没有数学模型或很难建立数学模型的工业过 程。但由于模糊控制规则的确定取决于人类的经验，因此难以适用于高精度的跟 踪系统。 ( 3 ) 非线性控制：非线性控制系统法是将全局状态精确反馈线性化及输入输 出精确反馈线性化方法，使复杂的非线性系统综合问题在适当的非线性状态和反 馈变换下转化为简单的线性系统。它与传统的利用泰勒展开进行局部线性化近似 方法不同，在线性化过程中没有忽略任何高阶非线性项，即这种方法不仅是精确 的，而且是在全局意义下的，即线性化对变换有定义的整个区域都适用。 ( 4 ) 自适应控制：自适应控制不需要被控对象准确的数学模型，能够实时改 变控制器的参数，在一定程度上解决了系统的非线性和时变性问题，但在大扰动 下或系统存在严重不确定时，自适应算法将趋向复杂，造成实现上的困难。这与 负载模拟器要解决的稳定性、鲁棒性及算法复杂及快速性之间存在矛盾。 ( 5 ) 滑模变结构控制：滑模变结构控制实质上是一类特殊的非线性控制。由 于对滑动模态的设计与对象及扰动无关，使得变结构控制具有快速相应、对参数 变化及扰动不灵敏。无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。其不足之处是当 状态轨迹到达滑模面，难于严格的沿着滑面向着平衡点滑动，而是在滑模面两侧 来回穿越，从而产生颤动。但由于该控制方法对于参数摄动和外干扰具有不变性， 对于负载模拟器的非线性及时变性有一定的适应性，因此变结构控制方法正在受 到的重视。 这些智能控制方法对解决负载模拟器的非线性和时变性问题提供了很好的方 法，但对其研究基本上还停留在仿真阶段，但它们本身代表控制方法研究中的新 方向，对这方面的问题的研究有待于进一步深入研究。 1 5 论文的主要内容 本文借鉴电液负载模拟器多余力矩抑制的方法，结合直流力矩电机的特点， 对电动负载模拟器提出有效的控制方法。论文工作如下： ( 1 ) 建立电动负载模拟器系统的线性数学模型，对电动负载模拟器多余力矩 产生机理及其特征进行深入分析，指出多余力矩是由承载对象的强位置干扰引起， 而且与舵机的速度、加速度、加加速度都有关系，并且分析了多余力矩与承载对 象的关系，为负载模拟器控制方法的研究提供了理论依据。 ( 2 ) 研究了加载系统的线性控制方法。针对静态加载系统的特性，设计微分 先行的p i d 控制器，提高了系统的稳态误差和拓展了频宽。针对多余力矩设计了 直接前馈补偿器，并对其仿真分析，验证了该控制方法的有效性。 ( 3 ) 依据神经网络的非线性逼近和自学习能力，提出了一种基于神经网络的 6 西北工业大学硕士毕业论文第l 章绪论 复合控制方法来提高系统性能。针对模型的非线性因素，设计了神经网络辨识器。 并采用单神经网络p d 控制器对非线性模型进行参数自适应控制，通过仿真可以 看出，复合控制器利用神经网络进行在线辨识、控制，基本消除多余力矩。 ( 4 ) 由于神经网络学习方法存在收敛速度慢、运算量大、易陷入局部极小的 缺点很难适用于要求高精度和高实时性的负载模拟器控制系统，因此提出了滑模 变结构自适应控制法，其算法简单且全局稳定，而且可以实现滑动模态与系统的 外干扰和参数摄动完全无关，确保了系统渐进跟踪期望输出。本章介绍了滑模变 结构的方法的基本原理，针对模型不确定的负载模拟器设计了自适应变结构控制 方案。仿真效果验证了滑模变结构控制方法能够有效克服负载模拟非线性，外界 不确定性因素的影响，具有较好的自适应跟踪性能 ( 5 ) 最后，对整个论文的工作加以回顾和总结，并对进一步的工作进行了展 望。 7 西北工业大学硕士毕业论文 第2 章加载系统模型建立及性能分析 第2 章加载系统模型建立及性能分析 本章建立电动负载模拟器的线性数学模型，并对加载系统的静态特性进行仿 真和校正，深入对动态加载过程中产生的多余力矩特性分析，为以后的系统的控 制方法的研究提供理论依据。 2 1 加载系统数学模型的建立 加载系统原理图可以简化为图2 一l ： 图2 一l 系统原理框图 在建立数学模型的过程中，首先分析各个控件的作用及工作原理，并建立对 应的数学模型，最后综合加载系统的完整模型。由于加载对象不是特定的舵机型 号，为简化分析过程，使舵机模型不出现在负载模拟器系统数学模型里，在建立 模型时，假没加载对象对力矩扰动的刚度无穷大。 2 1 1 直流力矩电机与其数学方程 直流力矩电机由伺服电动机和驱动电动机结合发展而成的特殊电机，其工作 原理，基本结构和特性与直流伺服电动机基本相同。它不经过齿轮等减速机构而 直接驱动负载，并由输入的控制电压信号直接调节负载的转速。在位置控制方式 的伺服系统中，可以工作在堵转状态；在速度控制方式的伺服系统中，可以工作 在低速状态，并且输出较大的转矩。而且与其他执行元件相比，具有机构紧凑、 体积小、成本低、运行可靠和可维护性好等特点，具有参数稳定性好、控制灵活、 响应快、转矩一电流特性线性度好等优点。所以本系统选用直流力矩电机作为系 统的加载执行元件。 图2 2 为直流力矩电机的等效电路图。其中t ，0 ，正，五分别代表电动机产生 的电磁转矩、电动机摩擦转矩、作用在电动机轴上的惯性转矩和负载转矩。 西北工业大学硕士毕业论文 第2 章加载系统模型建立及性能分析 图2 2 直流伺服电动机的等效电路图 电枢电路的电压方程为： u - r t n + l 口警+ u g 式中：乩：电枢绕组的端电压 ：电枢电流； 【，。：电枢感应电势； r 。：电枢回路总电阻； ( 2 一1 ) 三。：电枢回路总等效电感。 电压u 。为电枢导体在永久磁铁所建立的磁通中运动而产生的电压。根据法拉 第定律，在恒定磁场中转动的元件，转子上每一个闭合的导体通路中都产生 吼= 肺( f ) q 。( f ) ，忽略电枢反应永久磁通为恒定磁通则( 2 一1 ) 式应改写为： 圪：r 。( f ) + l 望姿生+ 疋q 。( f ) ( 2 2 ) l 式中：q 。：加载电机的转速。 在转子载流，导体上作用有垂直于磁通方向的力，力的大小与电流的大小和 磁感应强度及导体长度成正比，在磁场中每一根导体都对总的合力提供了一个分 量，由于转子的结构决定了力矢量作用于转子半径的力臂上，因而形成电磁转矩， 已知永磁磁通保持常数，所以电磁转矩与电枢电流成正比，即： = 墨 ( 2 3 ) 式中：x ，：电动机的转矩系数；t ：加载电机的电磁转矩。 只( f ) = 疋( f ) q 。( f ) ( 2 4 ) 式中：只：转子中所产生的机械功率 当然，不是所有的机械功率都提供给电动机轴上的机械负载，所产生的机械 功率的部分消耗于电动机转子的风阻，机械摩擦和转子铁心中的磁滞和涡流损 耗，这一部分功率成为摩擦损耗用0 表示。产生的能量的另一部分储存为转子旋 9 西北工业入学硕士毕业论文第2 章加载系统模型建立及性能分析 转质量的动能，则在任意瞬间，电磁转矩必然与所需克服摩擦的转矩、克服惯性 的转矩，粘滞阻尼分量和负载转矩的总和数值相等而方向相反。即： 乙沪0 ( f ) + 驰) + 厶掣地q 庸) ( 2 _ 5 ) 式中：乃：加载电机的摩擦转矩；厶：等效转动惯量； 巩：粘滞摩擦系数；正：加载电机的负载转矩。 综合式( 2 一1 ) ( 2 5 ) 在忽略摩擦力矩扰动下，得直流电动机在不同工 作方式下得传递函数，对基本方程取拉普拉斯变化，并重新整理后得： 珑( s ) 一以( s ) = ( 心+ 三。印l ( s ) ( 2 6 ) u 9 0 ) 。k 。q ，( s ) ( 2 7 ) t 0 ) = k ，l 0 ) ( 2 8 ) 五o ) 一乃0 ) = ( 吼+ 厶s ) q ，o ) ( 2 9 ) 上述基本方程组方框图如下图： 图2 3 直流电动机数学模型的方框图 2 1 2 其他环节的数学模型 2 1 2 1p 、v m 驱动数学模型 电动机驱动线路结构一般比较简单，而且大都类似，主要有：晶体管线性放 大驱动，晶闸管( s c r ) 驱动以及近年来应用最多得p w m 驱动。晶体管线性放大 驱动在运行范围内有很好得线形控制特性，并且无控制滞后现象，但存在效率低， 功耗大，散热困难等缺点。晶闸管用于控制较大功率系统，而且有控制灵敏、反 应快、效率高等优点，但仍存在过载能力弱、抗干扰能力差、控制电路复杂等缺 点。随着电子产品以及超大规模集成电路的不断发展，p w m 驱动得以广泛的应用。 p w m 具有调速范围宽。频率相应快，结构简单等优点，因此本系统中我们选用 p w m 驱动装置【1 7 j 。 当电机采用p w m 型驱动供电时，由于驱动的载波频率通常为几千赫磁，远 远高于系统的带宽，因此可以将驱动模型视为比例环节，其数学模型 虬o ) = k 一圪 ( 2 1 0 ) 1 0 西北工业大学硕士毕业论文第2 章加载系统模型建立及性能分析 式中：圪：p w m 的的控制信号；置：电机驱动环节的传递函数。 2 1 2 2 扭矩传感器数学模型 力矩传感器将电机与被加载对象相连，它的刚度对系统的性能有一定的影响， 因此选择力矩传感器时，一般情况下应该远远大于被加载对象和连接机构的等效 扭转刚度。在不考虑传感器的扭转刚度建立数学模型为： 乃= 世，( 巳一日，) ( 2 一1 1 ) 式中：k ，：力矩传感器的刚度；六：舵机轴转角； 巳：加载电机轴转角。 2 1 3 电动负载模拟器完整模型 加载系统开环方框图如图2 4 所示： 图2 4 加载系统的开环方框图 则输出力为： z - 孝毒篷并畿 沪1 2 ) 1 型巴。，+ 堡生i 厶堡。：+ ( 生生兰竺+ h + r 。 一 krk f 、 k ， ” 令；d b ) = j 。l 。s 3 + u 。r d + b 。l 。) f + 喁r e + l 。k f + x t k s + x f r 4 i ( s ) = k k 圪 2 0 ) = 以上。j 2 + ( 厶胄。+ 吼l ) s + ( 以冠+ e 墨) 上式等效为：互：兰苎皇芸掣 ( 2 一1 3 ) 川引 其中分子式中的第二项实际上是强制位置干扰量，即多余力矩。多余力矩干 扰与加载系统轴转角的速度、加速度、加加速度有关。随着干扰频率增加，加加 速度项以频率的平方基数递增，加速度项以频率一倍的增加，速度项随之增加， 因此频率越大，引起的多余力矩越大。如要完全达到指标要求，有必要对三者进 行同时补偿。 西北工业大学硕士毕业论文 第2 章加载系统模型建立及性能分析 2 1 4 仿真参数的确定 为了更能真实的反映加载系统的特性并对其仿真，加载系统参数提供如下： 置。= 1 2 q ； 工。= 0 0 5 h ：k 。_ 2 7 矿s 加d k t - 2 n m ；j 。= o ，t k g 掰；b 。= o 0 2 n m s ir 8 d 巧2 1 0 0 0 州朋d ；k m = l o 2 2 加载系统性能分析与校正 为了确保系统具有良好的性能，首先必须对静态加载系统的特性进行分析与 校正，所谓静态加载，指的是加载系统在主动运动情况下的负载能力。分析静态 加载的目的是为研究加载系统本身的控制特性。 2 2 1 加载系统的性能分析 令式( 2 1 3 ) 中的舵机信号巳( s ) = o ，得到静态加载系统的开环传递函数： g f 5 ) ：篓! 茎茎里竺 ( 2 1 4 ) g ( d 2 西再瓦西乃万罚i 五万面而旺1 4 将相关的参数代入上式，得到根轨迹与开环频率特性如图( 2 5 ) 。 差 量 r t l * 6 ( o m ，- - j “”o 岬 、 ，、，、 j ，! ，一 ， 、：t 、一、j ! 麓：妻妻害釜二 “州 w ：甜- 懈，：、；i i 一，一：i 一、，。 ，| 一。 删、一，、，一一，一x ： - 乏一j 一1 。* ”口7 争：姗| ：5，柚。侣： 图2 5 未校正的系统根轨迹图 由系统的根轨迹可知，两个极点在右半平面，系统不稳定。稳定是控制系统 正常工作的首要条件，确保系统稳定的条件是自动控制理论的基本任务之一，分 析一个不稳定的系统是没有意义的，因此必须对系统结构进行校正。 西北工业大学硕士毕业论文第2 章加载系统模型建立及性能分析 2 2 2 加载系统的校正 由经典控制理论可知增加系统的阻尼可采用速度反馈和比例加微分两种方 法，从物理本质上讲，在系统中引入速度反馈相当于增加了系统的阻尼，使系统 的振荡性得到了抑制，超调量减小；比例加微分信号有超前性，相当于系统的调 节作用提前，阻止了系统的过调。在实际应用中，比例加微分装置一般串联在前 向通道信号功率较弱的地方，需要放大器进行信号放大，而反馈则是从大功率的 输出端反馈到前端信号较弱的地方；而且，一般来说，反馈校正所需元件数目比 串联校正少，因此在此控制系统中，采用了微分先行法对系统的结构进行校正。 校正后的根轨迹如图所示： 2 2 3p i d 控制器的设计 图2 6 校正后的系统根轨迹 为了满足系统频宽的要求，同时采用p d 控制器对上述系统进行串联校正。 p d 控制器原理框图如图2 7 所示 图2 7p i d 控制系统原理框图 p d 控制器是一种线性控制器，它根据给定，( f ) 与实际输出c ( f ) 构成的控制偏 差d f ) = r ( f ) 一c ( f ) ，将偏差的比例p 、积分，和微分d 通过线性组合构成控制量， 1 3 西北工业大学硕士毕业论文 第2 章加载系统模型建立及性能分析 对被控对象进行控制。其控制律为： 咆删( f ) 她f 删( f ) 舢以竺笋 2 _ 1 5 ) 比例环节后。能够及时的反应控制系统的偏差8 ( f ) ，偏差一旦产生，控制器立 即产生控制作用，比例控制是基于偏差进行控制的，是有差调节，为了加快相应 速度，减小调节时间，必须增大比例系统，但比例系数太大，系统稳定性越来越 差，如果比例系数过小，则会使系统相应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统 静态、动态特性变坏； 积分环节_ j 主要用于消除静差，积分作用系数越大，系统的静态误差消除越 快，但如果系数太大，则在响应过程初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过 程的较大超调，若积分系数过小，将使系统静态误差难以消除，从而影响系统的 调节精度； 微分环节k 能加快系统的动作速度，减小调节时间，但对干扰信号有放大作 用。 根据设计要求，采用微分先行和p i 控制相结合的复合校正来改善系统的稳态 精度和动态性能，增大截止频率，拓宽系统带宽。复合校正结构图如图( 2 8 ) 所示： 图2 8 复合校正的结构框图 复合校正后系统开环b o d c 图为( 2 9 ) 。 1 4 西北工业大学硕士毕业论文 第2 章加载系统模型建立及性能分析 图2 9 静态加载系统开环b o d e 图 校正后开环频率特性发生的主要变化是：系统的阻尼系统增大，幅值裕度和 相角裕度增加，系统处于稳定状态。 系统的闭环频域指标吼是衡量跟踪速度和抗干扰能力的另一个指标，由图( 2 1 0 ) 所示闭环特性来看，理论上加载系统的跟踪频宽可以达到5 0 朋d j ，其幅 值保持不变，但相位有所滞后。 图2 1 0 无扰闭环系统的频率曲线 为了验证分析上述分析，在 妇妇6 的所“砌七进行仿真分析，仿真曲线( 2 一 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 分别表示了2 h z 和1 0 h z 两种情况下的无扰加载跟踪曲线，图中曲 西北工业大学硕士毕业论文 第2 章加载系统模型建立及性能分析 线1 为无扰时加载转矩的给定力矩，曲线2 为加载系统输出跟踪转矩，结果表明 当频率为2 h z 时，幅值几乎没有什么变化，相位有所滞后。当频率为1 0 h z 时， 幅值有所衰减，相位滞后较严重。仿真结果与闭环频率特性分析的结果一致。 图2 一l l 厂= 2 胁跟踪曲线 2 3 多余力矩分析 图2 一1 2 ，= l o 舷跟踪曲线 对于负载模拟器而言，静态加载转矩指令可以实现较高精度的跟踪，但是， 由于负载模拟器是典型被动式加载控制系统，属于动态加载系统范畴，舵机轴的 转动对加载转矩产生很强的位置干扰，这种干扰使轴系产生多余力矩。多余力矩 的混入严重影响加载系统的跟踪精度，负载模拟器必须具备消除或抑制多余力矩 的能力。为了能有效的抑制多余力矩，本节中将对动态加载系统产生多余力特性 的进行分析。 2 3 1 多余力矩定义 对于多余力的定义，有广义和狭义之分。从广义上，引起加载误差的所有力 西北工业大学硕士毕业论文第2 章加载系统模型建立及性能分析 矩均是多余力矩。加载误差指的是实际输出加载力矩和指令信号要求的输出加载 力矩之间的差值，加载误差和许多因素有关，如加载马达的摩擦力、系统的参数 变化、扭矩传感器的精度，加载系