新型电液负载模拟器的摩擦副及控制方法的研究

摘要

电液负载模拟器是一种复现舵机所受力矩载荷的半实物实验装置，与传统实物实验相比具有节约成本、缩短产品研发周期的优点，在航天航空领域有着广泛的应用。因此，研制出高性能电液负载模拟器对我国航天航空事业的发展有着重要的现实意义。
　　电液负载模拟器性能的好坏主要取决于对加载信号的复现能力。传统电液负载模拟器由于多余力矩的存在，使其加载能力受到了限制。近年来人们纷纷从硬件结构和控制策略来减弱多余力矩，但都不能从根本上解决问题。本文采用的新型电液负载模拟器是一种基于摩擦加载原理的模拟器，该模拟器将被测舵机与加载系统分隔开，理论上不会产生多余力矩。
　　在查阅大量国内外文献的基础之上，明确了课题研究的主要目标是分析影响加载系统性能的因素，提出解决方法以提高负载模拟器的加载性能。
　　本文首先阐述了新型电液负载模拟器的加载原理，根据不同形状的摩擦盘计算摩擦力矩，提出统一摩擦力矩公式，并分析了摩擦系数与尺寸因数对力矩的影响；建立了加载系统数学模型，为摩擦盘热力耦合仿真分析与控制器的设计提供理论基础。
　　由于新型电液负载模拟器是基于摩擦原理进行加载的，针对摩擦过程中摩擦盘表面温度升高引起的摩擦系数不稳定性变化问题，对摩擦盘进行了热力耦合仿真与实验研究。通过在不同初始条件下的仿真研究，分析了引起温度变化不同的原因；进行摩擦盘摩擦实验，测定了铸铁、钢和复合材料互相配对时，材料的温度与摩擦系数变化情况。
　　根据加载系统的数学模型，分析了系统的基本性能，并探究了非线性因素和不确定性参数对系统的影响。通过设计反步控制器减弱不确定性因素和系统时变参数的干扰，为进一步提高电液负载模拟器的加载性能，将反步控制与自适应控制相结合，设计了反步自适应控制器解决摩擦力矩波动和惯性力矩干扰的问题。对负载模拟器利用“双机”操作模式进行加载性能实验研究，并通过xPC Target实时仿真实验系统，测试了输入信号为零时，由于机械机构本身及被测舵机主动运动带来的惯性力矩的大小，最后采用不同的控制器进行了系统动、静态加载实验，检验控制器的实际性能。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外负载模拟器的研究概述

1.3 摩擦研究的概述

1.4 本文主要研究内容

第2章 新型负载模拟器数学模型的建立

2.1 引言

2.2 摩擦加载原理及其技术指标

2.3 摩擦力矩理论计算与分析

2.4 加载系统数学模型的建立

2.5 本章小结

第3章 摩擦盘热力耦合仿真与实验分析

3.1 引言

3.2 热力耦合基本理论

3.3 摩擦盘仿真分析

3.4 摩擦盘实验研究

3.5 本章小结

第4章 加载系统控制器的设计与仿真研究

4.1 引言

4.2 加载系统在PID控制器下的性能及其影响因素

4.3 反步控制器的设计与仿真

4.4 反步自适应控制器的设计与仿真

4.5 本章小结

第5章 新型负载模拟器加载实验研究

5.1 引言

5.2 加载实验样机原理及实验台组成

5.3 xPC Target实验系统

5.4 负载模拟器实验研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢