电动扭矩加载系统研制及其控制技术研究

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随着航空航天事业的发展,对飞行器的机动性和可靠性提出了更高的要求,实验测试是检测飞行器性能的重要环节。电动扭矩加载系统作为飞行器地面半物理实物仿真系统中的重要设备之一,对其整体性能要求也不断提升,因此,电动扭矩加载系统控制技术的研究具有重要研究意义和实用价值。本文综述了国内外扭矩加载系统及其控制技术的研究现状,并对其进行了深入的分析与研究,较全面地总结了扭矩加载系统及其主要控制方法的研究成果,为本文对电动扭矩加载系统的研制与控制技术研究打下较坚实的基础。为了研究电动扭矩加载系统的控制技术,本文研制了电动扭矩加载系统。通过认真分析电动扭矩加载系统的组成与工作原理,根据功能要求确定电动扭矩加载系统的总体方案。根据确定的总体方案对硬件系统进行模块的划分,以高精度、高可靠性为原则完成了硬件系统各模块的选型与设计。为了提高系统的抗干扰能力,采用隔离、屏蔽等方法进行处理。通过分析电动扭矩加载系统的功能要求,基于模块化的设计思想,采用LabVIEW开发了软件系统,并进行各功能模块的划分,详细说明每个模块的主要功能并给出了操作流程图。本文分别以承载系统和电动扭矩加载系统为研究对象,采用机理建模法分别建立承载系统数学模型和电动扭矩加载系统数学模型。通过分析二者之间的相互关系,建立考虑承载系统耦合特性的电动扭矩加载系统数学模型。在忽略与考虑承载系统的耦合特性时,分别建立电动扭矩加载系统的前向通道和多余力通道传递函数,并进行对比分析。根据其前向通道传递函数,通过开环伯德图分析其闭环稳定性,以及扭转刚度的变化对前向通道特性的影响,根据其多余力通道传递函数,通过开环伯德图分析扭转刚度的变化对多余力通道特性的影响。最后对多余力具有的特性进行总结,为多余力抑制方法的研究提供理论依据。在分析电动扭矩加载系统的特性基础上,本文对其力矩跟踪控制技术进行研究。针对系统的闭环稳定性问题,通过增加力矩的微分负反馈校正环节来改善系统的闭环稳定性,并进行仿真实验验证;为了改善系统的动态特性,提高其快速性和准确性,采用PID控制方法对其进行控制,并进行仿真实验验证;针对系统存在多余力问题,根据结构不变性原理设计电动扭矩加载系统的角速度前馈补偿环节,并进行仿真实验验证。基于上述方法,本文研究基于PID的复合控制方法,通过仿真与样机实验对该复合方法的有效性进行验证,并将仿真与样机实验结果进行对比分析。电动扭矩加载系统为高精度、强耦合、参数时变的被动式力矩伺服系统,由于PID控制器存在参数不能在线调整,导致不能适应系统的变化。针对上述问题,本文采用模糊自适应PID控制方法。在PID控制器的基础上,采用二维模糊控制器,基于模糊控制理论设计模糊自适应PID控制器。从多余力抑制能力和力矩跟踪能力的角度出发,通过仿真实验对模糊自适应PID控制方法的有效性进行验证,仿真实验结果表明:与PID控制方法相比,模糊自适应PID控制方法具有更高的调节精度、更快的响应速度和更有效的多余力抑制能力。
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