被動(dòng)式力矩伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究.pdf

1、被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)在工程實(shí)際中的典型應(yīng)用就是力矩負(fù)載模擬器。它是地面半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的一種重要專(zhuān)用設(shè)備，用來(lái)模擬飛行器舵機(jī)在飛行過(guò)程中所承受空氣動(dòng)力力矩載荷。隨著國(guó)防事業(yè)對(duì)飛行器控制精度和機(jī)動(dòng)性能要求大幅提高，對(duì)負(fù)載模擬器加載力矩的動(dòng)態(tài)頻響和精度等性能提出了更高的要求。本論文以某型電動(dòng)負(fù)載模擬器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為背景，對(duì)被動(dòng)式力矩伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。
　　首先，以永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)負(fù)載模擬器為背景，采用機(jī)理建模方法，建立了被

2、動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。建模時(shí)考慮了舵機(jī)特性對(duì)被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)模型的影響，并將其引入到系統(tǒng)的擾動(dòng)通道。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)元件和舵機(jī)兩方面分析，得出電機(jī)力矩波動(dòng)和舵機(jī)的不確定性是造成系統(tǒng)模型不確定性的兩個(gè)主要因素，并將其歸結(jié)為系統(tǒng)模型的乘性攝動(dòng)。通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在不同簡(jiǎn)化條件下，檢驗(yàn)了系統(tǒng)模型。
　　然后，采取把系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為舵機(jī)和負(fù)載模擬器相互耦合作用的形式，對(duì)被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、多余力矩和加載梯度一一進(jìn)行理論

3、分析，得出：多余力矩與舵機(jī)運(yùn)動(dòng)速度直接相關(guān)；加載梯度是在系統(tǒng)閉環(huán)模型中，與多余力矩相關(guān)部分模型幅值大小成反比的系數(shù)，體現(xiàn)了被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)的指令信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)之間的比值關(guān)系，從而在相同的動(dòng)態(tài)指標(biāo)下，小加載梯度實(shí)現(xiàn)更為困難。根據(jù)上述分析，提出了基于擾動(dòng)觀測(cè)器補(bǔ)償?shù)碾p回路控制結(jié)構(gòu)，在內(nèi)回路設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償多余力矩，在外回路設(shè)計(jì)控制器以滿足系統(tǒng)性能要求。
　　考慮同時(shí)存在輸入、輸出擾動(dòng)的系統(tǒng)，基于魯棒內(nèi)回路補(bǔ)償框架，通過(guò)擾動(dòng)

4、觀測(cè)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等價(jià)變換，提出了一種Q-濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法將 Q-濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為反饋鎮(zhèn)定控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，從而使得 Q-濾波器可不依賴(lài)于擾動(dòng)觀測(cè)器的混合靈敏度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)保證了擾動(dòng)觀測(cè)器系統(tǒng)的魯棒性和Q-濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)性。應(yīng)用于某被動(dòng)式力矩伺服控制系統(tǒng)，能有效實(shí)現(xiàn)多余力矩補(bǔ)償。
　　針對(duì)H∞混合靈敏度優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，根據(jù)相矢量以及對(duì)幅值響應(yīng)的線性近似，提出了基于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤性能的加權(quán)函數(shù)確定方法。該方法采用

5、二項(xiàng)式加權(quán)函數(shù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)正弦指令響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差以及加權(quán)函數(shù)與控制系統(tǒng)靈敏度函數(shù)之間的近似關(guān)系，推導(dǎo)出跟蹤誤差指標(biāo)與加權(quán)函數(shù)各參數(shù)之間的表達(dá)式，給出了加權(quán)函數(shù)的確定過(guò)程和計(jì)算步驟，并分析了應(yīng)用范圍。
　　最后，根據(jù)某型電動(dòng)負(fù)載模擬器系統(tǒng)的性能指標(biāo)和功能要求，確定了該電動(dòng)負(fù)載模擬器控制系統(tǒng)的總體方案；根據(jù)前述理論研究成果完成了系統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)器和外回路控制器設(shè)計(jì)，進(jìn)行了控制系統(tǒng)調(diào)試，解決了多余力矩?cái)_動(dòng)抑制、頻率特性提高和小加載梯度實(shí)