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舵机模拟负载测试系统加载控制模型的研究

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软件简介

 舵机负载模拟系统是进行飞行器地面半实物仿真的主要设备之一,它可以模拟舵机在飞行中的受力状况,对其性能进行反复的测试和实验,获得实验数据,并据此判断其性能的优劣,以期进行重新设计和改进达到飞行器总体对舵机系统的技术指标要求。因此负载模拟器性能的高低直接关系到仿真和测试实验的可靠性和置信程度,是保证航空、航天型号产品和武器系统精度和性能的基础。
针对如何提高负载模拟器加载性能这一问题,国内外大多数学者都将研究重心放在减小多余力的上面。本文针对摩擦力矩加载精度不高和加载过程中出现的波动和时间滞后问题,将从分析和研究摩擦力矩加载过程中的摩擦机理出发,采用实验探究和PID控制相结合的方法,最大限度的提高摩擦力矩加载的稳态性能和动态性能。为此,本文主要进行以下工作:
首先,针对摩擦力矩的加载方式和计算方法进行说明。分析了摩擦力矩加载过程中摩擦力的静态特性和动态特性对系统低速性能的影响,并进一步通过实验探究了低速时摩擦系数随加载液压缸压力的变化关系,利用曲线拟合的方法得出了不同压力下的摩擦力矩补偿经验公式,为下一步组建摩擦力矩补偿控制模型和实验验证做准备。
然后运用传递函数法建立加载系统的数学模型,并将力矩补偿经验公式加入到数学模型中组成摩擦力矩补偿控制模型,然后进行仿真。又运用微分方程积分模块法建立了系统的摩擦力矩补偿控制模型,通过仿真验证了第一种建模方法的可行性。仿真结果表明力矩补偿经验公式提高了系统的控制精度。但是针对系统出现的波动和响应滞后问题,将PID调节器加入到控制模型中,运用临界比例法整定PID控制器参数,通过比较P控制器、PI控制器和PID控制器仿真结果得出PI控制器能更有效的提高系统的稳定性、动态性能和稳态性能。
最后进行摩擦力矩加载实验,首先通过实验验证摩擦力矩补偿控制模型的正确性,确实提高了力矩加载精度,但是摩擦力矩加载过程中出现的波动和滞后问题并没有得到解决,为此,将PID控制器模块加入到PLC控制系统中,然后进一步通过实验探究经过摩擦力矩补偿和PID控制器调节后系统各方面性能的影响。
总之,运用摩擦力矩补偿和PID控制相结合的方法提高了系统的加载性能。

关键词:负载模拟器;摩擦系数;压力补偿;PID控制器

目 录
独创性声明 i
关于论文使用授权的说明 i
中 文 摘 要 ii
ABSTRACT iii
目 录 v
1. 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 负载模拟器在国内外的发展状况 2
1.2.1 负载模拟器国外发展现状 2
1.2.2 负载模拟器国内发展现状 3
1.3 提高舵机负载模拟器加载性能的研究概况 4
1.4 PID控制简介及参数整定方法 5
1.4.1 PID控制器简介 5
1.4.2 PID控制器参数整定法 6
1.5 本课题研究的主要内容 7
2. 舵机负载模拟系统摩擦力加载分析 8
2.1 摩擦力矩加载系统介绍 8
2.1.1 摩擦力矩加载系统的组成和工作原理 8
2.1.2 作动器模拟负载台 9
2.2 摩擦力矩加载方式及计算方法 10
2.2.1 摩擦力矩加载方式 10
2.2.2 摩擦力矩计算方法 11
2.3 摩擦力的特性对加载性能的影响 12
2.3.1 摩擦力的静态特性对加载性能的影响 12
2.3.2 摩擦力的动态特性对加载性能的影响 13
2.4 影响摩擦系数变化的主要因素 14
2.4.1 摩擦系数与速度变化的关系 14
2.4.2 摩擦系数与压力变化的关系 16
2.5 本章小结 20
3. 摩擦力矩加载系统数学建模和仿真 21
3.1 摩擦力矩加载系统数学模型的建立 21
3.1.1 传递函数法建立比例减压阀的数学模型 21
3.1.2 积分模块法建立比例减压阀的数学模型 26
3.1.3 伺服放大器传递函数的建立 28
3.1.4 压力传感器传递函数的建立 29
3.1.5 扭矩传感器传递函数的建立 29
3.2 加载系统数学模型参数计算 29
3.2.1 比例减压阀传递函数参数的计算 29
3.2.2 伺服放大器传递函数计算 33
3.2.3 扭矩传感器传递函数计算 33
3.2.4 压力传感器传递函数计算 34
3.2.5 柱塞缸传递函数计算 34
3.2.6 传递函数法建立的加载系统数学模型 35
3.2.7 积分模块法建立的加载系统数学模型 35
3.3 加载系统仿真分析 36
3.3.1 两种建模方法的仿真比较 36
3.3.2 引入P控制器后的系统性能分析 41
3.3.3 引入PI控制器后的系统性能分析 44
3.3.4 PI控制器参数调整后的系统性能分析 45
3.3.5 引入PID控制器后的系统性能分析 48
3.4 本章小结 48
4. 摩擦力矩加载实验研究 49
4.1 摩擦力矩加载实验系统组成 49
4.1.1 实验系统硬件组成 49
4.1.2 实验系统软件组成 53
4.3 实验过程及实验分析 54
4.3.1 实验要求 54
4.3.2 摩擦力矩补偿前后实验结果及误差分析 54
4.3.3 摩擦力矩补偿后的PID控制器调节 59
4.4 本章小结 64
5. 结论 65
5.1 本文总结 65
5.2 研究展望 65
参考文献 67
致 谢 69
作者简介 70

1. 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
舵机作为控制飞行器飞行方向的执行机构,在船舶和航空航天领域应用广泛。在其实际的工作过程中会受到弹性力矩、摩擦力矩、惯性力矩等等负载的作用。舵机系统的性能会直接影响整个飞行器的性能,对于导弹而言,它直接影响着打击精度和命中率。舵机作为飞行器不可或缺的一部分,在研发过程中必须对其系统进行严格的测试。
在对产品性能进行测试时,全实物现场试验是最为直接和有效的手段。但是这种测试方法带有一定的破坏性,并且对于人力、物力、和财力也是一种浪费,况且也很难获得完整而准确的试验数据。试验时很容易受到外部因素的干扰,有可能导致试验失败。成本高、过程复杂、试验周期较长等等这些缺点使得全实物现场试验受到很大的局限性。正因如此,半实物仿真技术应运而生。半实物仿真技术是在实验室条件下复现被测对象工作过程中的各种因素及参数,将经典的自破坏性实验转化为实验室条件下的预测研究,具有可控性、无破坏性、可重复性等优点。
舵机负载模拟系统是进行飞行器地面半实物仿真的主要设备之一,它可以模拟舵机系统在工况下所受到的摩擦负载、惯性负载、弹性负载和常值负载等,负载模拟器能对舵机按工况要求进行力矩加载,被称为加载系统,舵机承受负载模拟器施加的负载,被称为承载系统。负载模拟器可以模拟舵机在飞行中的受力状况,对其性能进行反复的测试和实验,获得实验数据,并据此判断其性能的优劣,以期进行重新设计和改进达到飞行器总体对舵机系统的技术指标要求。因此负载模拟器性能的高低直接关系到仿真和测试实验的可靠性和置信程度,是保证航空、航天型号产品和武器系统精度和性能的基础[1-6]。
摩擦力矩加载系统主要模拟舵机在工况下所受到的摩擦负载,摩擦力矩加载系统性能的优劣直接关系到被加载舵机测试和仿真的准确度,对导弹或者飞行器系统精度和性能的影响是巨大的。本文针对摩擦力矩加载精度不高和加载过程中出现的波动和时间滞后问题,首先从摩擦机理的角度分析了问题产生的原因,明确了摩擦力矩加载的精度和摩擦系数的变化关系。然后在低速加载的工况下,通过实验得出了不同压力下摩擦系数的变化值,在此基础上求出摩擦力矩加载时不同压力下的校正系数(即摩擦力矩补偿经验公式),将该校正系数乘以系统理论输出的压力值就是实际需要输出的压力,补偿了摩擦系数变化造成的加载力矩值的变化,从而提高系统的加载精度。并结合PID控制器调节有效的改善了力矩加载过程中出现的波动和时间滞后问题。通过压力补偿和PID调节在提高摩擦力矩加载系统的稳态性能和动态性能的同时也增加了系统的稳定性。最后通过仿真和实验验证了该方法的正确性和可行性。提高摩擦负载的加载性能进而可以更加准确的测试舵机系统的静、动态特性,缩短舵机的研发周期不仅节省了宝贵的时间也节约了成本,具有现实的经济意义和深远的战略意义。
1.2 负载模拟器在国内外的发展状况
1.2.1 负载模拟器国外发展现状
国外对负载模拟器的研究最早可追溯到20世纪70年代初期,日本的著名学者池谷光荣率先研制出负载模拟器加载样机。该样机采用电液式的加载方式,其工作原理如图1.1所示。

图1.1 第一台电液式负载模拟器工作原理图
Fig.1.1 Working principle diagram of the first electro-hydraulic load simulator

对负载进行加载时液压缸的左右两腔会产生压力差,压力传感器将采集到的压力差信号反馈给控制系统,控制系统通过PID控制、解耦控制、自适应控制等方法调节加载负载[1-3]。
1979年,美国研发出一套空气动力模拟负载加载系统,该加载系统具有较好的动态性能和稳态性能,主要用来模拟导弹在飞行过程中或者换向瞬间所受到的铰链力矩。美国军方将其运用到导弹性能的测试中,并且取得了不错的效果[4]。随后美国CARCO公司设计制造了一台负载模拟器,该模拟器的执行元件为双叶片马达,用来模拟舵机工作时受到的铰链力矩。该加载系统所施加的最大力矩为464N.m,最大速度可达到600°/s,最大摆角可达到正负45°等,总之,该负载模拟器具有良好的加载性能[5]。美国的BOEING公司也研制出一台新式的负载模拟器,用来模拟舵机在工况下受到的空气铰链力矩,其加载系统可以实施四通道加载,并且安装了力矩传感器和位移传感器。这是一个具有双闭环回路的控制系统,大大提高了系统的加载精度和快速响应性能[6]。
1981年瑞士的CONTRAVES GOERZ公司设计生产了一台型号为ADFL-2 的铰链力矩负载模拟器,该负载模拟器通过控制器调节速度与位置两个变量来消除多余力的干扰,提高了加载的精度[7]。
二十一世纪初荷兰的FCS公司研发并生产了型号为E-CUE660的新型负载模拟器,与传统意义上的电液式负载模拟器不同,该模拟器属于电动负载模拟器,其在加载力矩达到130KN时,仍然表现出了良好的稳定性[8-10]。
韩国也跻身先进负载模拟器的研究行列。韩国名校高等技术大学研发出一种电液负载模拟器,该模拟器采用被动加载。力矩弹簧装置与扭矩传感器将承载系统和加载系统紧密的结合在一起。其控制器运用模糊控制原理有效的提高了系统的动态性能[11]。韩国的另一高等学府釜山大学也推出一种电液式负载模拟器,这种模拟器采用无阀控制的工作原理,液压泵作为系统的动力来源直接作用在液压缸上对负载实施压力,该负载模拟器虽然不能在较高的频率下工作,但是其输出的力矩值完全可以满足正负5000N的要求[12]。
除此之外,国外还有很多关于负载模拟的研究成果在一些文献里面都有记载。
1.2.2 负载模拟器国内发展现状
由于历史的种种原因,我们国家对航空和航天领域的研究起步不如发达国家早,因此对于负载模拟器的研究也起步较晚。尽管如此,我国还是抓住了负载模拟系统快速发展的机遇。尤其是在二十世纪七十年代中期,伴随着我国军事实力的增强和国际地位的不断提高,大批的海外华人、华侨和许多爱国的科学家都纷纷投入祖国的怀抱为祖国的科学技术发展贡献自己的一份力量,正因如此,我国负载模拟器的研发工作进入了高速发展的时期[13]。
二十世纪八十年代,我国航空303所研发出一种高性能的负载模拟器,其加载系统的核心部件为DYSF-3P型压力伺服阀。该负载模拟器具有良好的性能指标,其最大加载力矩可达250N·m;速度最大值为400°/s;最大摆角为正负40°等[14]。这成为我国负载模拟器研发工作的良好开端。
1988年,位于洛阳的014中心推出一种空气动力负载模拟器,该模拟器主要用来模拟飞行器舵面受到的铰链力矩。在承载系统与加载系统之间改用一个弹簧杆进行连接用来减小系统多余力的干扰,除此之外,该装置还通过位置和速度补偿法进一步减小了多余力的干扰[15]。
1990年,在北京航空航天大学也成功研制出一种空气动力负载模拟器,该模拟器主要用来测试YCK-I型导弹舵机的性能[16]。1994年,西北工业大学负责的负载模拟器项目突破技术瓶颈,推出一种具有双通道的电液负载模拟器[17]。
1996年,北京理工大学成功研制出一种四通道电液负载模拟加载系统[18]。
1998年,西北工业大学顺利完成了一种具有6个通道的负载模拟加载系统[19]。
2011年,西北工业大学的樊泽明和杨文业等人研制出一种新式的电液负载模拟器,该模拟器采用复合控制的方法。通过实验发现该负载模拟器具有良好的稳态性能,实现了对信号的准确追踪[20]。
2012年,清华大学的朱亮等人提出一种名为“磁力载荷”的负载模拟器[21],它的工作原理是利用电流产生的磁力作用在转子上实现载荷加载,经分析和计算后此负载模拟器可满足产品的性能要求。
1.3 提高舵机负载模拟器加载性能的研究概况
负载模拟器的研究是一个长期且复杂的工作,但是科研学者们从没停止过探索的脚步。张朋[22]设计的负载模拟器用来模拟火箭某发动机喷管工作时所受到的弹性力矩、摩擦力矩、惯性力矩和安装刚度等负载,经过一系列仿真和实验后满足了对伺服机构的加载性能要求。华清[23]通过组建加载系统的数学模型揭示了舵机扰动速度和加速度是使系统产生多余力的原因,并且对传统的结构不变性原理作了进一步改进。延皓[24]首先建立了舵机承载系统和加载系统的综合数学模型,在此基础之上通过仿真分析有效的模拟了舵机的各项负载,提高了系统的加载性能。彭颖[25]在对火箭伺服机构特性仿真时采用的是线性化系统与非线性化系统相结合的方法,这是对传统的线性化仿真模型的一种突破,而且利用该方法仿真的结果更为精确。哈尔滨工业大学的王尚东[26]通过对摩擦片结构参数和材料选择以及温度场的热力学分析有效的揭示了影响负载模拟器摩擦力矩加载性能的主要因素。
此外,哈尔滨工业大学的徐宏杨[27]通过设计一种新的控制方法消除了多余力对伺服系统的干扰。周建超[28] 在研究摩擦力加载时,中间环节用摩擦副代替了刚性连接,没有了力和位置耦合理论上消除了多余力。郑大可[29]提出了采用摩擦力加载的新方法,以期消除多余力提高力矩的加载性能。徐向荣[30]得出了具有加速度补偿的结构不变性原理有效的降低了小加载梯度时的多余力矩影响。邓雨[31]利用摩擦加载原理设计的负载模拟器,加载形式由被动变主动,理论上可消除多余力。韩禄[32]设计了一种新型电液负载模拟器,该模拟器将被测舵机和加载系统分隔开,理论上不会产生多余力矩。张培[33]提出了一种理论上不产生多余力的基于摩擦加载电液负载模拟器,从结构上创新,消除了影响系统性能的多余力矩。中北大学的付梦瑶、宋晶、朱伟、李江等人运用不同的控制方法消除多余力,提高了负载模拟器的加载性能[34-37]。
综上所述,在提高负载模拟器力矩加载性能方面,大多数人将研究重心放在由于舵机的扰动引起的多余力矩上面,通过结构补偿或者控制补偿的方法来尽可能的消除或者抑制多余力。本文针对负载模拟器摩擦力矩加载精度不高和加载过程中出现的波动和时间滞后问题,将从分析和研究摩擦力矩加载过程中的摩擦机理出发,采用实验探究和PID控制相结合的方法,最大限度的提高摩擦力矩加载的稳态性能和动态性能。本文通过实验探究得出摩擦系数与加载压力的关系,据此总结出摩擦力矩补偿经验公式,将其加入到控制系统中组成摩擦力矩补偿控制模型,通过仿真和实验以期提高摩擦力矩加载的准确度。并通过调整PID控制器参数调节来改善力矩加载过程中出现的波动和时间滞后问题,在保证系统稳定运行的前提下,提高系统的动态性能和稳态性能。
1.4 PID控制简介及参数整定方法
1.4.1 PID控制器简介
在控制理论中PID控制是出现最早的控制方法之一。PID控制结构并不复杂且具有较好的鲁棒性和稳定性,发展比较成熟,所以在传统的过程控制中该控制方法被广泛采用[38-40]。PID控制原理如图1.2所示。

图1.2 PID控制原理
Fig 1.2 PID control principle

由图1.2可知,整个控制系统的组成包括PID控制器和被控对象。控制系统的输出值通过闭环回路反馈回来与系统的给定值进行比较,一般情况下这两个值会产生一个偏差,在PID控制器中该偏差会按照P、PI、PD或者PID的线性组合方式形成一个新的控制量,最后控制被控对象。下面对比例、积分和微分作用对系统产生的影响进行说明。
(1)比例作用系统性能的影响
比例相当于一个增益能及时的放大系统的偏差信号,通过比例作用的调节能及时的遏止住系统偏差继续变大的趋势并且尽可能的将偏差缩小。随着比例增益的不断增大系统的动态响应会有所提高,但是如果比例超过了某一限定值系统的超调量就会比较大,甚至系统会出现震荡现象导致系统不稳定[41]。
(2)积分作用对系统性能的影响
当一个系统中出现稳态误差时说明该系统的信号跟踪能力或者精度不高。若要提高系统的稳态性能必须引入积分控制器,在实际的应用中积分控制器一般不单独出现,它常和其他两种调节规律搭配使用组成PI或PID控制器。理论上来说只要系统存在动态偏差,积分作用就不会停止,直至系统的动态偏差消失为止。如果积分作用太强同样会影响到系统的稳定性和动态性能[42]。
(3)微分作用对系统性能的影响
微分作用不仅能捕捉系统偏差变化的规律还能对偏差进行提前预判,所以具有超前控制的作用。简而言之,在系统的偏差还没出现之前就已经被微分作用给消除了,进而提高了系统的稳定性和动态响应[43]。
1.4.2 PID控制器参数整定法
PID控制器的参数整定方法可分为两种:理论计算整定法和工程整定方法。理论计算整定法涉及到的计算比较复杂得到的数据也不一定切实可用,而工程整定法是依据经验公式直接在现场进行参数整定,方法比较简单实用,所以在实际应用中用到最多的还是工程整定法。工程整定法主要包括Ziegler-Nichols 整定法、临界比例度法、衰减曲线法[44-48]。
(1)Ziegler-Nichols 整定法
Ziegler-Nichols 整定法是针对系统频域进行PID参数整定的方法。由于该方法运用的范围在系统的频域,所以这就要求系统必须具备参考模型。该模型必须是一个二阶的模型且能精确地描述被控对象的频域特性。在该模型基础之上再根据要求的性能指标推导出来公式,最后应用到参数整定上面来。这种整定方法在不需要太精确的系统建模,并且物理意义比较明确。Ziegler-Nichols 整定法在应用时首先通过实验得到控制系统的单位阶跃响应曲线,如果该曲线不是一条S形曲线就不适合用该方法。S曲线用延时时间L与时间常数T和放大系数K来表示,最后将以上参数代入控制器参数整定公式确定PID的参数值。
(2)临界比例度法
临界比例法是工程整定方法中最常用的一种方法。这种方法要求先求出被控对象的传递函数,然后将P控制器加入到该控制系统中观察其阶跃响应曲线,不断地调整P控制器的比例值,由小及大或者由大及小,直至阶跃响应曲线出现等幅振荡现象,系统发生临界振荡的前提条件是系统的阶数要大于等于3。然后记录下此时的临界比例值KP与临界振荡周期T。最后将得到的这两个参数分别代入P、PI和PID参数整定公式中计算出对应的整定参数值就可以了。
(3)衰减曲线法
衰减曲线法与临界比例法有些类似,首先将P控制器加入到该控制系统中观察其阶跃响应曲线,不断地调整P控制器的比例值,由小及大或者由大及小直至阶跃响应曲线出现4:1衰减振荡周期,记录下此时的衰减比例值K、上升时间t和两个时波峰之间的时间间隔TS,将这三个参数代入给定的经验公式中即可得到控制器参数的整定值。衰减曲线法按照“先 P 后 I最后 D”的调整原则,设定好控制器的参数,再观察响应曲线,若效果还不满意,还可在这基础之上作适当调整。
1.5 本课题研究的主要内容
本文将从分析和研究摩擦力矩加载过程中的摩擦机理出发,采用实验探究和PID控制相结合的方法,最大限度的提高摩擦力矩加载的稳态性能和动态性能。
本文针对摩擦力矩精度不高和加载过程中出现的波动和时间滞后问题,提出了解决方案,并验证了方案的可行性,主要进行以下工作:
(1)首先介绍了摩擦力矩加载系统的组成和工作原理,针对摩擦力矩的加载方式和计算方法进行说明。然后分析了摩擦力矩加载过程中摩擦力的静态特性和动态特性对系统低速性能的影响。接着分析速度和压力对摩擦系数变化的影响,并进一步通过实验探究了低速时摩擦系数随加载液压缸压力的变化关系,利用曲线拟合的方法得出了不同压力下的摩擦力矩补偿经验公式,为下一步摩擦力矩补偿实验做准备。
(2)然后运用传递函数法建立加载系统的数学模型,并将力矩补偿经验公式加入到该数学模型组成摩擦力矩补偿控制模型。又运用微分方程积分模块法建立系统的摩擦力矩补偿控制模型,通过仿真验证了第一种建模方法的可行性。仿真结果表明力矩补偿经验公式提高了系统的控制精度。
(3)针对系统出现的波动和响应滞后问题,将PID调节器加入到控制模型中,运用临界比例法整定PID控制器参数,通过比较P控制器、PI控制器和PID控制器仿真结果得出哪种控制器能更有效的提高系统的稳定性、动态性能和稳态性能。
(4)将建立的摩擦力矩补偿控制模型应用于实验,验证该模型在摩擦力矩加载过程中的正确性。并将PID控制器模块加入到PLC控制系统中,然后进一步通过实验探究经过摩擦力矩补偿和PID控制器调节后的系统各方面性能的变化。

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