基于后屈曲预压缩压电双晶片的微小型舵机驱动器研究

摘要

小型化、智能化是未来无人飞行器领域的一个重要发展方向，微小型无人机和智能小型弹药是近年来无人飞行器小型化、智能化的代表性产物，而微小型舵机驱动器是其中的一项关键技术。目前微小型电动舵机应用较为普遍，但它存在着带宽窄、精度低、附带零件多等问题，不能满足未来小型无人飞行器对舵机驱动器的要求。而压电智能结构具有带宽大、精度高、结构简单以及功率密度高的特点，是微小型舵机驱动器较好的选择。但是压电材料本身存在着输出位移小的缺点，因而本文基于一种既能增大输出转角又能增大输出力矩的后屈曲预压缩（PBP）压电双晶片驱动器，对其力学特性、迟滞非线性控制、应用于制导弹丸的可行性，以及进一步改善驱动能力的措施等方面展开了深入的研究。本文的主要工作及创新点有：
　　1.通过理论和实验研究了PBP驱动器的静、动力学特性。静力学结果表明了施加一阶屈曲力70%的轴向预压缩力可增大 PBP驱动器输出转角三倍以上，增大输出力矩25%，从而增大设计空间近四倍。动力学结果表明了随着轴向力的增大PBP驱动器的一阶频率减小，相对阻尼比增大，机电转化效率提高；随着端部惯性质量的增大PBP驱动器一阶频率减小。
　　2.研究了PBP驱动器的率相关迟滞特性。通过解析法和遗传算法识别了Bouc-Wen模型的参数，在此基础上利用最小二乘法识别得到了动态离散线性环节参数，构建了基于Bouc-Wen模型的Hammerstein率相关迟滞模型。通过扫频和定频实验验证了该模型能够较好地预测PBP驱动器的率相关迟滞非线性特性。
　　3.基于率相关迟滞前馈控制器，为PBP驱动器设计了一种具有自适应能力的神经元PID前馈复合线性化控制器。在多种单复合频率信号作用下，对PBP驱动器的控制回路进行了位移跟踪实验，结果表明该控制器通用性较好，控制精度满足要求。通过控制回路的扫频实验得到了该回路的二阶传递函数，并获得了加入控制器前后的一阶频率和阻尼比的变化规律。
　　4.以一种30mm口径制导航炮弹丸为对象，设计了制导航炮弹丸以及弹载PBP舵面驱动器结构组件；研究了弹载PBP驱动器的静、动力学特性；计算了制导弹丸的气动力特性；设计了制导弹丸的控制系统；通过弹丸对不同机动能力目标的纵向平面姿态弹道仿真得到了以下结论：PBP驱动器对于该制导弹丸有足够的控制带宽；所设计的PBP驱动器对于机动能力不大的目标可以实现对制导弹丸的精确控制，而对于较高机动能力的目标目前PBP驱动器的驱动能力则显不足。
　　5.为了进一步提高PBP驱动器的驱动能力，提出了角位移增大连杆PBP驱动器和输出力矩增大层叠PBP驱动器两种方案。研究表明角位移增大连杆PBP驱动器方案可将输出角增大至30°，但同时输出力矩随之减小；输出力矩增大层叠PBP驱动器方案可成倍增大输出力矩。针对制导航炮弹丸的舵面驱动器，结合以上两者优点，设计了一种新型弹载PBP驱动器方案。通过详细的静、动力学分析以及纵向平面姿态弹道仿真，表明了新型弹载PBP驱动器可以满足制导弹丸对舵面驱动器的要求。

目录

第一章 绪论

1.1 背景与意义

1.2压电驱动器应用于飞行控制的国内外发展概况

1.3压电驱动器迟滞特性及其控制

1.4 本文研究内容

第二章 PBP驱动器力学模型及验证

2.1引言

2.2 PBP驱动器静、动力学解析模型

2.3 PBP驱动器静、动力学有限元模型[70]

2.4 PBP驱动器静、动力学实验

2.5 PBP驱动器静、动力学结果分析

2.6本章小结

第三章 PBP驱动器迟滞非线性特性研究

3.1引言

3.2 PBP驱动器的Bouc-Wen模型和参数识别

3.3.Bouc-Wen率相关模型

3.4.本章小结

第四章 PBP驱动器线性化控制系统设计

4.1引言

4.2前馈控制

4.3 PID前馈复合控制

4.4 二次性能指标单神经元PID前馈复合控制

4.5 PBP舵机驱动器控制回路传递特性

4.6本章小结

第五章 PBP驱动器在制导航炮弹丸中应用的研究

5.1引言

5.2制导航炮弹丸总体结构布局设计

5.3 弹载PBP舵机的静、动力学特性

5.4制导航炮弹丸气动力特性

5.5制导航炮弹丸飞行特性仿真

5.6本章小结

第六章 基于PBP原理的新型驱动器及其应用

6.1 引言

6.2角位移增大连杆PBP驱动器方案

6.3输出力矩增大层叠PBP驱动器方案

6.4新型弹载PBP驱动器方案

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1结论与创新点

7.2研究展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间发表学术论文和参加科研情况

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