本文關(guān)鍵詞：基于后屈曲預(yù)壓縮壓電雙晶片的微小型舵機驅(qū)動器研究

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【摘要】：小型化、智能化是未來無人飛行器領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向,微小型無人機和智能小型彈藥是近年來無人飛行器小型化、智能化的代表性產(chǎn)物,而微小型舵機驅(qū)動器是其中的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前微小型電動舵機應(yīng)用較為普遍,但它存在著帶寬窄、精度低、附帶零件多等問題,不能滿足未來小型無人飛行器對舵機驅(qū)動器的要求。而壓電智能結(jié)構(gòu)具有帶寬大、精度高、結(jié)構(gòu)簡單以及功率密度高的特點,是微小型舵機驅(qū)動器較好的選擇。但是壓電材料本身存在著輸出位移小的缺點,因而本文基于一種既能增大輸出轉(zhuǎn)角又能增大輸出力矩的后屈曲預(yù)壓縮(PBP)壓電雙晶片驅(qū)動器,對其力學特性、遲滯非線性控制、應(yīng)用于制導(dǎo)彈丸的可行性,以及進一步改善驅(qū)動能力的措施等方面展開了深入的研究。本文的主要工作及創(chuàng)新點有:1.通過理論和實驗研究了PBP驅(qū)動器的靜、動力學特性。靜力學結(jié)果表明了施加一階屈曲力70%的軸向預(yù)壓縮力可增大PBP驅(qū)動器輸出轉(zhuǎn)角三倍以上,增大輸出力矩25%,從而增大設(shè)計空間近四倍。動力學結(jié)果表明了隨著軸向力的增大PBP驅(qū)動器的一階頻率減小,相對阻尼比增大,機電轉(zhuǎn)化效率提高;隨著端部慣性質(zhì)量的增大PBP驅(qū)動器一階頻率減小。2.研究了PBP驅(qū)動器的率相關(guān)遲滯特性。通過解析法和遺傳算法識別了Bouc-Wen模型的參數(shù),在此基礎(chǔ)上利用最小二乘法識別得到了動態(tài)離散線性環(huán)節(jié)參數(shù),構(gòu)建了基于Bouc-Wen模型的Hammerstein率相關(guān)遲滯模型。通過掃頻和定頻實驗驗證了該模型能夠較好地預(yù)測PBP驅(qū)動器的率相關(guān)遲滯非線性特性。3.基于率相關(guān)遲滯前饋控制器,為PBP驅(qū)動器設(shè)計了一種具有自適應(yīng)能力的神經(jīng)元PID前饋復(fù)合線性化控制器。在多種單復(fù)合頻率信號作用下,對PBP驅(qū)動器的控制回路進行了位移跟蹤實驗,結(jié)果表明該控制器通用性較好,控制精度滿足要求。通過控制回路的掃頻實驗得到了該回路的二階傳遞函數(shù),并獲得了加入控制器前后的一階頻率和阻尼比的變化規(guī)律。4.以一種30mm口徑制導(dǎo)航炮彈丸為對象,設(shè)計了制導(dǎo)航炮彈丸以及彈載PBP舵面驅(qū)動器結(jié)構(gòu)組件;研究了彈載PBP驅(qū)動器的靜、動力學特性;計算了制導(dǎo)彈丸的氣動力特性;設(shè)計了制導(dǎo)彈丸的控制系統(tǒng);通過彈丸對不同機動能力目標的縱向平面姿態(tài)彈道仿真得到了以下結(jié)論:PBP驅(qū)動器對于該制導(dǎo)彈丸有足夠的控制帶寬;所設(shè)計的PBP驅(qū)動器對于機動能力不大的目標可以實現(xiàn)對制導(dǎo)彈丸的精確控制,而對于較高機動能力的目標目前PBP驅(qū)動器的驅(qū)動能力則顯不足。5.為了進一步提高PBP驅(qū)動器的驅(qū)動能力,提出了角位移增大連桿PBP驅(qū)動器和輸出力矩增大層疊PBP驅(qū)動器兩種方案。研究表明角位移增大連桿PBP驅(qū)動器方案可將輸出角增大至30°,但同時輸出力矩隨之減小;輸出力矩增大層疊PBP驅(qū)動器方案可成倍增大輸出力矩。針對制導(dǎo)航炮彈丸的舵面驅(qū)動器,結(jié)合以上兩者優(yōu)點,設(shè)計了一種新型彈載PBP驅(qū)動器方案。通過詳細的靜、動力學分析以及縱向平面姿態(tài)彈道仿真,表明了新型彈載PBP驅(qū)動器可以滿足制導(dǎo)彈丸對舵面驅(qū)動器的要求。
【關(guān)鍵詞】：微小型舵機驅(qū)動器 軸向預(yù)壓縮壓電雙晶片 率相關(guān)遲滯模型 前饋與自適應(yīng)PID復(fù)合控制器 制導(dǎo)航炮彈丸
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V279
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-32
• 1.1 背景與意義12-13
• 1.2 壓電驅(qū)動器應(yīng)用于飛行控制的國內(nèi)外發(fā)展概況13-27
• 1.2.1 壓電驅(qū)動器在微小無人機方面的應(yīng)用13-22
• 1.2.2 壓電驅(qū)動器在制導(dǎo)彈丸方面的應(yīng)用22-26
• 1.2.3 國內(nèi)壓電舵機驅(qū)動器研究概況26-27
• 1.3 壓電驅(qū)動器遲滯特性及其控制27-30
• 1.3.1 壓電驅(qū)動器遲滯特性的研究意義28
• 1.3.2 壓電驅(qū)動器遲滯特性的建模方法28-29
• 1.3.3 壓電驅(qū)動器遲滯線性化控制方法29-30
• 1.4 本文研究內(nèi)容30-32
• 第二章 PBP驅(qū)動器力學模型及驗證32-52
• 2.1 引言32
• 2.2 PBP驅(qū)動器靜、動力學解析模型32-36
• 2.2.1 PBP驅(qū)動器靜力學解析模型32-33
• 2.2.2 輸出力矩靜力學解析模型33-35
• 2.2.3 PBP驅(qū)動器一階模態(tài)解析模型35-36
• 2.3 PBP驅(qū)動器靜、動力學有限元模型36-38
• 2.3.1 靜力學有限元模型36-38
• 2.3.2 動力學有限元模型38
• 2.4 PBP驅(qū)動器靜、動力學實驗38-45
• 2.4.1 靜力實驗設(shè)計38-41
• 2.4.2 動力學實驗設(shè)計41-45
• 2.5 PBP驅(qū)動器靜、動力學結(jié)果分析45-51
• 2.5.1 靜力學結(jié)果及分析45-47
• 2.5.2 動力學結(jié)果及分析47-51
• 2.6 本章小結(jié)51-52
• 第三章 PBP驅(qū)動器遲滯非線性特性研究52-66
• 3.1 引言52-53
• 3.2 PBP驅(qū)動器的BOUC-WEN模型和參數(shù)識別53-60
• 3.2.1 PBP驅(qū)動器的Bouc-Wen模型53-54
• 3.2.2 Bouc-Wen模型的參數(shù)識別解析方法54-57
• 3.2.3 Bouc-Wen模型的遺傳算法參數(shù)識別57-59
• 3.2.4 識別結(jié)果與分析59-60
• 3.3.BOUC-WEN率相關(guān)模型60-65
• 3.3.1 壓電雙晶片率相關(guān)遲滯特性60-61
• 3.3.2 率相關(guān)特性參數(shù)識別61-65
• 3.4.本章小結(jié)65-66
• 第四章 PBP驅(qū)動器線性化控制系統(tǒng)設(shè)計66-80
• 4.1 引言66
• 4.2 前饋控制66-69
• 4.2.1 前饋控制模型66-67
• 4.2.2 前饋控制半實物仿真實驗67-69
• 4.3 PID前饋復(fù)合控制69-72
• 4.3.1 PID前饋復(fù)合控制模型69-70
• 4.3.2 PID前饋復(fù)合控制模型半實物仿真實驗70-72
• 4.4 二次性能指標單神經(jīng)元PID前饋復(fù)合控制72-76
• 4.4.1 神經(jīng)元PID前饋復(fù)合控制模型72-73
• 4.4.2 神經(jīng)元PID前饋復(fù)合控制半實物仿真實驗73-76
• 4.5 PBP舵機驅(qū)動器控制回路傳遞特性76-78
• 4.6 本章小結(jié)78-80
• 第五章 PBP驅(qū)動器在制導(dǎo)航炮彈丸中應(yīng)用的研究80-104
• 5.1 引言80-81
• 5.2 制導(dǎo)航炮彈丸總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計81-84
• 5.2.1 制導(dǎo)航炮彈丸總體布局結(jié)構(gòu)81-83
• 5.2.2 PBP舵機驅(qū)動器結(jié)構(gòu)布局83-84
• 5.3 彈載PBP舵機的靜動力學特性84-85
• 5.4 制導(dǎo)航炮彈丸氣動力特性85-90
• 5.5 制導(dǎo)航炮彈丸飛行特性仿真90-102
• 5.5.1 制導(dǎo)航炮縱向平面質(zhì)點彈道仿真90-95
• 5.5.2 控制系統(tǒng)回路的設(shè)計95-98
• 5.5.3 制導(dǎo)航炮縱向運動彈道仿真98-102
• 5.6 本章小結(jié)102-104
• 第六章 基于PBP原理的新型驅(qū)動器及其應(yīng)用104-132
• 6.1 引言104-105
• 6.2 角位移增大連桿PBP驅(qū)動器方案105-109
• 6.2.1 角位移增大連桿PBP驅(qū)動器方案設(shè)計105-107
• 6.2.2 角位移增大連桿PBP驅(qū)動器靜力學模型107-109
• 6.3 輸出力矩增大層疊PBP驅(qū)動器方案109-113
• 6.3.1 輸出力矩增大層疊PBP驅(qū)動器方案設(shè)計109-110
• 6.3.2 靜力學模型及分析110-113
• 6.4 新型彈載PBP驅(qū)動器方案113-131
• 6.4.1 新型彈載PBP驅(qū)動器方案設(shè)計113-115
• 6.4.2 新型彈載PBP驅(qū)動器靜力學模型115-119
• 6.4.3 新型彈載PBP驅(qū)動器動力學模型119-129
• 6.4.4 新型彈載PBP驅(qū)動器在航炮彈丸中的應(yīng)用129-131
• 6.5 本章小結(jié)131-132
• 第七章 總結(jié)與展望132-134
• 7.1 結(jié)論與創(chuàng)新點132-133
• 7.1.1 研究結(jié)論132-133
• 7.1.2 論文的創(chuàng)新點133
• 7.2 研究展望133-134
• 參考文獻134-144
• 附錄144-148
• 致謝148-150
• 攻讀博士學位期間發(fā)表學術(shù)論文和參加科研情況150-151

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