被動式力矩伺服控制系統(tǒng)設(shè)計方法及應用研究.pdf

1、被動式力矩伺服系統(tǒng)在工程實際中的典型應用就是力矩負載模擬器。它是地面半實物仿真系統(tǒng)中的一種重要專用設(shè)備，用來模擬飛行器舵機在飛行過程中所承受空氣動力力矩載荷。隨著國防事業(yè)對飛行器控制精度和機動性能要求大幅提高，對負載模擬器加載力矩的動態(tài)頻響和精度等性能提出了更高的要求。本論文以某型電動負載模擬器控制系統(tǒng)設(shè)計為背景，對被動式力矩伺服控制系統(tǒng)進行研究。
　　首先，以永磁同步電機直接驅(qū)動的電動負載模擬器為背景，采用機理建模方法，建立了被

2、動式力矩伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型。建模時考慮了舵機特性對被動式力矩伺服系統(tǒng)模型的影響，并將其引入到系統(tǒng)的擾動通道。在此基礎(chǔ)上，通過對驅(qū)動元件和舵機兩方面分析，得出電機力矩波動和舵機的不確定性是造成系統(tǒng)模型不確定性的兩個主要因素，并將其歸結(jié)為系統(tǒng)模型的乘性攝動。通過實際系統(tǒng)實驗，在不同簡化條件下，檢驗了系統(tǒng)模型。
　　然后，采取把系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為舵機和負載模擬器相互耦合作用的形式，對被動式力矩伺服系統(tǒng)動態(tài)特性、多余力矩和加載梯度一一進行理論

3、分析，得出：多余力矩與舵機運動速度直接相關(guān)；加載梯度是在系統(tǒng)閉環(huán)模型中，與多余力矩相關(guān)部分模型幅值大小成反比的系數(shù)，體現(xiàn)了被動式力矩伺服系統(tǒng)的指令信號和擾動信號之間的比值關(guān)系，從而在相同的動態(tài)指標下，小加載梯度實現(xiàn)更為困難。根據(jù)上述分析，提出了基于擾動觀測器補償?shù)碾p回路控制結(jié)構(gòu)，在內(nèi)回路設(shè)計擾動觀測器用于動態(tài)補償多余力矩，在外回路設(shè)計控制器以滿足系統(tǒng)性能要求。
　　考慮同時存在輸入、輸出擾動的系統(tǒng)，基于魯棒內(nèi)回路補償框架，通過擾動

4、觀測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等價變換，提出了一種Q-濾波器優(yōu)化設(shè)計方法。該方法將 Q-濾波器的優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)化為反饋鎮(zhèn)定控制器的優(yōu)化設(shè)計問題，從而使得 Q-濾波器可不依賴于擾動觀測器的混合靈敏度進行優(yōu)化設(shè)計，同時保證了擾動觀測器系統(tǒng)的魯棒性和Q-濾波器設(shè)計的最優(yōu)性。應用于某被動式力矩伺服控制系統(tǒng)，能有效實現(xiàn)多余力矩補償。
　　針對H∞混合靈敏度優(yōu)化設(shè)計問題，根據(jù)相矢量以及對幅值響應的線性近似，提出了基于系統(tǒng)動態(tài)跟蹤性能的加權(quán)函數(shù)確定方法。該方法采用

5、二項式加權(quán)函數(shù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)對正弦指令響應的穩(wěn)態(tài)誤差以及加權(quán)函數(shù)與控制系統(tǒng)靈敏度函數(shù)之間的近似關(guān)系，推導出跟蹤誤差指標與加權(quán)函數(shù)各參數(shù)之間的表達式，給出了加權(quán)函數(shù)的確定過程和計算步驟，并分析了應用范圍。
　　最后，根據(jù)某型電動負載模擬器系統(tǒng)的性能指標和功能要求，確定了該電動負載模擬器控制系統(tǒng)的總體方案；根據(jù)前述理論研究成果完成了系統(tǒng)擾動觀測器和外回路控制器設(shè)計，進行了控制系統(tǒng)調(diào)試，解決了多余力矩擾動抑制、頻率特性提高和小加載梯度實