【摘要】：舵機(jī)被廣泛應(yīng)用于火箭、飛機(jī)和船舶等航行器,是航行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其性能的優(yōu)劣直接影響航行器的航行控制。舵機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)試舵機(jī)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求,其加載控制精度是影響測(cè)試結(jié)果的最主要因素。如何提高加載控制精度是舵機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)研究的核心。目前已有的研究中大都采用“控制-檢測(cè)反饋-控制”的模式進(jìn)行加載控制,這種模式在舵機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)加載控制影響較低的場(chǎng)合精度尚可,然而在舵機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)加載控制的影響較大的情況下,其控制精度難以滿足測(cè)試要求。為進(jìn)一步提高舵機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)中的加載控制精度,本課題在提出將電動(dòng)式加載系統(tǒng)與舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行同步控制的基礎(chǔ)上,對(duì)舵機(jī)正弦運(yùn)動(dòng)和階躍運(yùn)動(dòng)下的加載控制技術(shù)進(jìn)行研究。分析了舵機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理,總結(jié)了現(xiàn)有的加載系統(tǒng)控制模型,將其分為單輸入單輸出模型、雙輸入單輸出力矩耦合模型以及雙輸入單輸出位置耦合模型三種。從理論分析和數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)兩方面,闡述上述三種模型的相似性及其不合理性,并對(duì)雙輸入單輸出的位置耦合模型進(jìn)行了修正,使其更符合舵機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際情況。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)行為分析的基礎(chǔ)上,定義了舵機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)中的主動(dòng)負(fù)載與被動(dòng)負(fù)載,并證明了舵機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)中加載系統(tǒng)的力矩傳遞函數(shù)發(fā)生了改變,這種變化是影響加載控制精度的因素之一。通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析得出被動(dòng)負(fù)載是影響加載控制精度的另一個(gè)因素。分析了加載系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)被動(dòng)負(fù)載的影響,提出了將舵機(jī)性能分段測(cè)試以提高加載控制精度。分析了加載系統(tǒng)延遲對(duì)加載控制精度的影響,提出將舵機(jī)系統(tǒng)與加載系統(tǒng)進(jìn)行同步控制,通過(guò)理論推導(dǎo)得出在同步控制系統(tǒng)中采用具有預(yù)測(cè)功能的控制策略能夠更好地抑制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的力矩變化,從而提高加載控制精度。在分析了舵機(jī)正弦運(yùn)動(dòng)下加載控制的特點(diǎn)的同時(shí),指出控制指令計(jì)算與加載系統(tǒng)的響應(yīng)滯后是影響加載控制精度的主要原因。針對(duì)該問(wèn)題,提出了一種改進(jìn)的廣義預(yù)測(cè)控制(Improved generalized predictive control,IGPC)。該方法充分利用了已知的舵機(jī)位置輸入,預(yù)估未來(lái)某時(shí)刻舵機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)負(fù)載的影響,并通過(guò)相位系數(shù)q調(diào)整期望值,將未來(lái)時(shí)刻的理想負(fù)載力矩作為當(dāng)前時(shí)刻的期望值,用于抵消響應(yīng)滯后帶來(lái)的影響。分析了IGPC的魯棒性、穩(wěn)定性以及各參數(shù)對(duì)控制性能的影響。分析了舵機(jī)階躍運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加載狀態(tài)變化過(guò)程,得出當(dāng)加載狀態(tài)從臨界加載向其它加載狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí),會(huì)產(chǎn)生大幅波動(dòng)或沖擊。通過(guò)理論分析尋找到一條臨界加載狀態(tài)最少的加載狀態(tài)轉(zhuǎn)換路線。針對(duì)舵機(jī)階躍運(yùn)動(dòng)下的加載控制具有高頻、快速、短時(shí)間等特點(diǎn),導(dǎo)致以往的控制策略失效的問(wèn)題,提出了一種指令優(yōu)化的開(kāi)環(huán)同步程序控制。該方法中電流和力矩均采用開(kāi)環(huán)控制,以辨識(shí)的虛擬系統(tǒng)代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行控制指令離線反復(fù)優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。在舵機(jī)階躍運(yùn)動(dòng)下采用指令離線優(yōu)化的開(kāi)環(huán)同步程序控制能夠有效地抑制加載過(guò)程中負(fù)載力矩中的沖擊和大幅波動(dòng)。建立了舵機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的仿真模型,對(duì)舵機(jī)正弦運(yùn)動(dòng)下的IGPC、GPC、VSC、FAPID、RPID以及PID策略進(jìn)行了仿真對(duì)比。搭建了同步控制的舵機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng),并以此作為試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)舵機(jī)正弦運(yùn)動(dòng)下的IGPC進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證并將其與VSC進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。同時(shí)對(duì)舵機(jī)階躍運(yùn)動(dòng)下的開(kāi)環(huán)同步程序控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【圖文】：

試系統(tǒng)中加載方式研究現(xiàn)狀中加載方式的不同，加載系統(tǒng)可分為機(jī)械式動(dòng)式加載系統(tǒng)三種[10]。統(tǒng)非常穩(wěn)定，且技術(shù)成熟，諸如懸臂梁式、機(jī)生產(chǎn)廠家仍有應(yīng)用。以彈簧板式加載系統(tǒng)機(jī)、扭矩傳感器與彈簧板依次相連，彈簧板生力矩并通過(guò)力矩傳感器帶動(dòng)彈簧板發(fā)生扭載與其偏轉(zhuǎn)角度成正比。這種加載系統(tǒng)可用態(tài)特性。在有限的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，可以通過(guò)選比例的梯度加載測(cè)試。統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低并且加載控等影響，機(jī)械式加載系統(tǒng)的自動(dòng)化控制程度、或梯度、或某設(shè)定曲線的單一方式的加載

被測(cè)液壓舵機(jī)圖 1-2 電液式加載系統(tǒng)原理圖Fig.1-2 Schematic diagram of electro-hydraulic loading紀(jì) 70 年代初開(kāi)始，以日本學(xué)者池谷光榮為代表電液式加載測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)[12]。由于其優(yōu)良的性能，電載測(cè)試系統(tǒng)的主流，世界各國(guó)均先后研制出了多種 世紀(jì) 70 年代末，以各大高校與航空航天院所為代究方面取得了較大成果。經(jīng)過(guò) 40 多年的發(fā)展，電大、加載范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[13]，被廣泛應(yīng)用到各類(lèi)工程系統(tǒng)本身慣量大，響應(yīng)速度不足等原因，，很難抑制被迫運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的力矩干擾。時(shí)至今日，仍有學(xué)者擾力矩抑制方法的研究，但受硬件條件限制，成果具有機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輔助設(shè)施多、易泄露、系統(tǒng)維機(jī)構(gòu)摩擦力較大、不適合小負(fù)載工作等缺點(diǎn)[14]，代的趨勢(shì)[15,16]。加載系統(tǒng)的工作原理與電液式加載系統(tǒng)相似，只是
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP273

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2667892