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单摆负载电液伺服动态加载系统多余力抑制方法研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 电液伺服动态加载系统的研究现状

1.2.1 硬件结构补偿方法

1.2.2 控制策略补偿方法

1.2.3 加载系统中非线性因素的研究

1.3 国内外电液伺服动态加载系统产品研制现状

1.3.1 国外产品研制状况

1.3.2 国内产品研制状况

1.4 动态加载系统的研究趋势

1.5 电液伺服动态加载系统的评价指标

1.5.1 结构性能指标

1.5.2 控制性能指标

1.6 论文主要研究内容

第2章 单摆负载电液伺服动态加载系统建模

2.1 引言

2.2 单摆负载电液伺服动态加载系统的基本原理

2.3 单摆负载位置系统建模

2.3.1 位置系统滑阀流量方程

2.3.2 位置系统液压缸连续性方程

2.3.3 位置系统液压缸和负载力平衡方程

2.3.4 单摆惯性负载力平衡方程

2.4 单摆负载动态加载系统建模

2.4.1 加载系统滑阀流量方程

2.4.2 加载液压缸连续性方程

2.4.3 加载液压缸和负载力平衡方程

2.4.4 力传感器输出方程

2.5 其他环节数学模型

2.5.1 拉压力传感器数学模型

2.5.2 位移传感器数学模型

2.5.3 伺服放大器数学模型

2.5.4 电液伺服阀数学模型

2.6 摩擦非线性对加载系统的影响

2.7 本章小结

第3章 单摆负载电液伺服动态加载系统多余力抑制方法的研究

3.1 引言

3.2 动态加载系统分析

3.2.1 多余力的定义

3.2.2 多余力产生机理

3.2.3 抑制多余力分析

3.3 双阀并联抑制多余力的研究

3.3.1 双阀并联加载系统的简介

3.3.2 双阀并联加载系统的数学模型

3.3.3 双阀并联控制仿真分析

3.4 双微分结构解耦补偿控制器的研究

3.4.1 双微分结构解耦补偿控制器简介

3.4.2 双微分结构解耦补偿控制器设计

3.4.3 双微分结构解耦补偿控制器仿真分析

3.5 本章小结

第4章 试验系统硬件设计

4.1 引言

4.2 液压系统的设计

4.2.1 系统供油压力的选择

4.2.2 加载液压缸的设计

4.2.3 电液伺服阀的选型

4.3 电液伺服系统控制硬件的选取

4.3.1 控制计算机选型

4.3.2 数据卡的选型

4.3.3 传感器的选型

4.4 测试试验

4.4.1 无扰加载试验

4.4.2 多余力测试试验

4.4.3 双阀并联测试试验

4.4.4 双微分结构解耦补偿控制测试试验

4.5 本章小结

第5章 试验系统测控软件设计

5.1 引言

5.2 测控系统软件设计方案及选择

5.3 在xPC Target实时内核中开发第三方设备驱动程序

5.4 构建硬件试验平台

5.5 图形用户界面的开发

5.6 本章小结

总结与展望

1 总结

2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 科研实践

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摘要

电液伺服动态加载系统是实验室里模拟飞行器发射和飞行过程中受到各种动力载荷的关键设备,许多情况下,这类系统的负载可以简化为一个具有单自由度的倒立单摆,由于单摆负载的主动运动对加载系统带来强烈的位置扰动,产生多余力,造成加载系统输出力不准确,如果不能有效地抑制多余力的影响,就会导致加载系统跟踪性能下降,不能实现对载荷谱的点点跟踪。
   本文采用理论分析和数值仿真相结合的研究方法,对单摆负载加载系统产生多余力的过程、机理以及抑制方法做了深入的研究和讨论。介绍了单摆负载电液伺服动态加载系统的基本结构和工作原理,分析了单摆负载的运动规律,建立了整个系统的数学模型。考虑到单摆负载支撑处的非线性因素,详细分析了单摆负载中的摩擦非线性对加载系统的影响。根据多余力的产生过程和产生机理,寻找相应的补偿措施来抑制多余力,从硬件结构补偿出发,提出了双阀并联的方式来消除多余力,使动态加载系统近似工作在静态加载情况下;由于单摆负载的位置系统与加载系统之间存在着相互耦合关系,提出了双微分结构解耦补偿控制来减小多余力的方法,通过理论分析在整个系统中设计了两个微分补偿环节,最大限度的消除多余力;根据具体的动态加载性能指标,设计可进行无扰加载、多余力测试、双阀并联测试和双微分结构解耦补偿控制测试的试验系统,选取和设计试验系统中的液压元件和控制系统的电气硬件,设计试验系统的测控软件部分,提出了运用MATLABRTW中xPCTarget方式实现单摆负载电液伺服动态加载系统的实时仿真任务。
   MATLAB仿真结果表明,加入摩擦模型严重影响加载系统跟踪性能,其中幅值衰减超过30%,加入准积分补偿环节能够极大地减小了幅值衰减,使其小于3%,随着摩擦偏移值增大10倍,摩擦非线性对加载系统的跟踪性能影响更大;在单摆负载驱动频率和加载频率为10HZ时,双阀并联补偿方案很好的满足加载系统的双十指标,产生的多余力小于给定输入的10%,双微分结构解耦补偿控制策略仿真表明,多余力从原来的±22N左右减小到±4N左右,跟踪性能指标也满足动态加载系统的双十性能指标。

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