船用舵机电液伺服单元非线性研究

摘要

本文分析了川崎RE系列舵机电液伺服单元的非线性影响因素，提出了相应的非线性控制策略。首先对阀芯轴向受力进行了分析，考虑力矩马达输入力、弹簧回复力、粘性阻尼力、稳态液动力、瞬态液动力、阀芯运动惯性力等因素，建立了阀芯运动的力平衡方程以及带位置反馈的三通阀控制差动缸的控制方程。在对系统数学模型进行了线性化后，用Routh稳定性判据对其进行了稳定性分析，并对系统的响应进行了仿真，另外针对系统的实际应用情况，进行了输入信号为2.5Hz的正弦周期信号仿真。然后用描述函数法分别分析了阀芯阀套的摩擦和遮盖对电液伺服单元稳定性的影响。建立考虑摩擦、遮盖和同时考虑摩擦—遮盖的三种数学模型，分别对其进行阶跃信号、脉冲信号、正弦周期信号的仿真。最后提出了基于全状态反馈的非线性控制方案，利用滑模变结构控制对系统进行控制，采用基于最优跟踪的滑动模态选择办法，使用指数趋近率对滑动模线进行趋近，设计了VSC控制器，对控制系统进行了仿真，得出了相应的结论。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景

1.2电液伺服单元概况

1.2.1自动舵发展简介

1.2.2舵机电液伺服单元的发展

1.2.3武汉川崎系列舵机工作原理

1.3控制理论的发展概述

1.3.1古典控制理论

1.3.2现代控制理论

1.3.3智能控制理论

1.4论文的主要工作

第2章电液伺服单元控制方程

2.1舵机电液伺服单元的工作原理

2.2数学模型的建立

2.2.1力矩马达的分析

2.2.2阀芯的受力分析

2.2.3阀芯的运动分析

2.3.4三通阀控制差动缸的控制方程

2.3参数计算

2.3.1阀芯的过流面积梯度w计算

2.3.2阀芯阀套的相互作用力计算

2.3.3死区特性的确定

2.3.4力矩马达饱和非线性的确定

2.4本章小结

第3章电液伺服单元的分析及仿真

3.1系统的方块图

3.2线性模型的分析

3.2.1线性模型的传递函数

3.2.2线性模型稳定性分析

3.3摩擦非线性模型分析

3.3.1摩擦环节的描述函数

3.3.2用描述函数法分析摩擦对系统的稳定性的影响

3.4死区非线性的分析

3.4.1死区环节的描述函数

3.4.2用描述函数法分析死区对系统的稳定性的影响

3.5对系统的仿真分析

3.5.1线性模型的仿真分析

3.5.2摩擦非线性的仿真分析

3.5.3死区特性的仿真分析

3.5.4同时考虑死区和摩擦的模型仿真分析

3.5.5仿真小结

3.6一个改进方向

3.7本章小节

第4章用变结构理论控制电液伺服单元

4.1引言

4.2常见的摩擦的解决方案

4.2.1摩擦补偿技术

4.2.2提高系统刚度

4.2.3高频颤振信号来削弱摩擦的影响

4.2.4本论文的解决方案

4.3变结构理论概述

4.3.1变结构控制的基本原理

4.3.2变结构控制的基本方法

4.3.3线性变结构系统的基本性质

4.3.4用到达条件确定滑动模线

4.3.5用趋近条件选择控制律

4.4用变结构理论控制电液伺服单元

4.4.1系统的状态空间模型

4.4.2滑膜求取

4.4.3趋近方法的求取

4.5控制仿真

4.6本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢