基于内模控制的电动负载模拟器伺服系统设计

摘要

电动负载模拟器是地面半实物仿真系统中的一种重要设备，用来模拟飞行器的舵机在飞行过程中所承受的气动力力矩载荷，它是一种典型的被动力伺服系统。由舵机的主动运动引起的多余力问题是其关键控制问题。本文以某型电动负载模拟器系统为研究背景，在对系统特性进行研究的基础上，应用内模控制理论对该伺服控制系统进行设计。首先，综述了舵机负载模拟器系统的研究现状，对已有多余力抑制方法进行了分析，指出了各自的优缺点，并对内模控制的基本理论和应用现状进行了阐述。其次，采用机理建模法建立了包括电动舵机在内的电动负载模拟器系统数学模型，并对系统的不确定性进行了分析，得出结论：由不同型号的被测舵机特性差异引起的不确定性对系统的影响最大，这类不确定性可以用乘性不确定性来描述。再次，将电动负载模拟器系统模型简化成加载系统和舵机系统相互作用模型。结合该简化模型，比较了考虑舵机特性前后系统的前向通道特性的变化以及多余力特性的变化，得出结论：舵机特性对系统的影响相当于使系统的扭转刚度变小。特别针对电动负载模拟器系统的多余力进行了研究，得出结论：多余力与舵机特性直接相关，具有直接输出端作用、强耦合、只影响系统动态特性和“超前”作用的特点。最后，针对电动负载模拟器系统的主要控制问题，应用内模控制理论，采用带反馈滤波器的内模控制结构对该伺服控制系统进行了设计。针对反馈滤波器的设计，本文提出一种基于鲁棒控制器设计理论的设计方法。仿真结果表明设计的控制器很好地保证了系统的鲁棒稳定性、多余力抑制性能和力矩跟踪性能，由此验证了提出的控制器设计方法的有效性和可行性。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 舵机负载模拟器研究现状综述

1.2.1 国内外舵机负载模拟器概况

1.2.2 舵机负载模拟器的关键控制问题

1.2.3 多余力抑制问题研究现状及分析

1.3 内模控制

1.3.1 内模控制的基本结构

1.3.2 内模控制的性质

1.3.3 内模控制器的设计方法

1.3.4 内模控制的应用

1.4 论文主要内容及章节安排

第2章 电动负载模拟器系统的数学模型

2.1 引言

2.2 系统组成及工作原理

2.3 电动负载模拟器系统机理模型

2.3.1 电动舵机模型

2.3.2 加载系统模型

2.3.3 电动负载模拟器系统模型

2.4 系统标称模型

2.5 系统模型不确定性分析

2.6 本章小结

第3章 电动负载模拟器伺服系统特性分析

3.1 引言

3.2 系统简化模型

3.3 前向通道动态特性分析

3.4 多余力分析

3.4.1 多余力产生机理

3.4.2 多余力特性分析

3.4.3 多余力特点

3.4.4 多余力仿真验证

3.5 本章小结

第4章 基于内模控制的电动负载模拟器伺服系统设计方案

4.1 引言

4.2 带反馈滤波器的内模控制结构

4.3 基于内模控制的系统控制器设计方案

4.3.1 系统闭环控制方框图转化

4.3.2 系统控制器设计方法

4.4 本章小结

第5章 某型电动负载模拟器系统控制器设计与仿真

5.1 引言

5.2 系统控制器设计

5.2.1 系统内部模型的选取

5.2.2 内模控制器的设计

5.2.3 反馈滤波器的设计

5.3 某型电动负载模拟器系统性能仿真与分析

5.3.1 多余力抑制效果仿真

5.3.2 动态力矩跟踪性能仿真

5.3.3 静态加载精度仿真

5.3.4 仿真结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢