非相似余度作动系统动态力均衡控制策略

随着多电/全电化飞机关键技术的发展,由功率电传作动器——电动静液作动器(EHA)和机电作动器(EMA)构成的非相似余度作动系统,成为飞机多电/全电化发展的新趋势.介绍了非相似余度作动系统的结构组成和工作原理,建立了非相似余度作动系统力纷争的数学模型.在此基础上,分析了非相似余度作动系统动态力纷争的产生机理,基于上述原理提出了轨迹发生器+前馈补偿器、力纷争反馈PID补偿器和EHA力控制/EMA位置控制等3种减小动态力纷争的动态力均衡控制策略,并对其进行了理论分析与设计.最后,对所提出的3种动态力均衡控制策略进行了仿真对比,并从跟踪动态性能和抗负载扰动动态性能两个方面对仿真结果进行了深入分析.分析结果为非相似余度作动系统的设计和力均衡控制提供了理论依据.      

双余度电静液作动器力均衡控制

随着多电飞机技术的发展,电静液作动器(EHA)被更多地用于机载作动系统。双余度电静液作动器(DREHA)更易于实现余度控制,推进EHA在飞机上的应用。本文给出了一种新型DREHA的结构组成,并对其工作原理和固有的力纷争现象进行了分析。理想情况下,通过流量补偿进行修正,力纷争会消失。由于实际系统的参数不可能与仿真模型完全一致,通过人为引入两通道参数误差,复现实际的力纷争。针对上述力纷争现象,基于两通道左右腔压差提出了差值力补偿力均衡控制策略和交叉耦合力均衡控制策略,以减小力纷争。MATLAB和AMESim联合仿真结果表明,本文所设计的力均衡控制器能大大减小力纷争峰值,同时提高系统的响应速度。     

非相似余度作动系统设计及工作模式分析

非相似余度配置方式可省去中央液压源并有效克服共性故障,成为多电飞机的发展趋势.利用机械特性匹配的方法对变转速电动静液作动器和直驱式机电作动器组成的非相似余度系统进行总体设计.考虑舵面空气负载和连接刚度建立总体数学模型,对3种典型工作模式进行理论分析和仿真对比,再现带载情况下这3种工作模式的切换瞬态.同时提出电机电流内环零值控制的无载工作模式,控制器结构简单并且切换可靠迅速.分析结果对非相似作动系统的设计、工作模式和故障切换方法提供了理论依据.     

复合式余度机电作动系统容错控制与性能分析

研究了一种应用于未来多电飞机的复合式余度机电作动系统,它由2台双绕组无刷直流电动机组成,形成4个电气控制通道和2个电动机控制通道的余度结构,具有"单故障工作、双故障安全"的容错能力.分析了容错工作状态下电动机和逆变器的损耗、减速器的力矩纷争等性能,提出了在"单故障工作"时应采用电动机功率损耗均衡控制方法以获得最佳的综合性能,同时分析了"双故障安全"时系统的输出能力,并通过仿真分析和比较了各种状态下系统的跟踪性能,最后给出一组容错运行状态下电动机的温升试验数据.      

伺服作动系统的余度控制

为了提高伺服作动系统的可靠性,设计了一种三余度的电液伺服作动系统,将伺服阀的力矩马达、喷嘴挡板阀、系统的反馈元件等做成一式三份.并对该结构伺服作动系统进行了深入的理论分析,建立了三余度伺服控制系统的数学模型,分析了余度控制对伺服作动系统动态品质的影响,以及系统出现故障后余度伺服作动系统的动态品质.分析结果表明:伺服作动系统采用余度控制后,系统的动态品质基本不变.但系统在伺服阀线圈一路断开的情况下,余度伺服作动系统仍能正常工作.结果表明:伺服作动系统采用余度技术后,系统性能基本不变,而大大提高了伺服作动系统的可靠性,为高性能伺服作动系统的研制提供理论依据.      

冗余直接驱动伺服作动系统建模与特性分析

为了提高数字式直接驱动伺服作动系统的可靠性,对系统进行了余度配置,电气部分采取三余度,机械部分采取二余度,设计了伺服作动系统的余度配置和管理方案.对系统的机理进行了深入研究,建立了二余度阀控液压缸、三余度直流无刷电动机等系统各部分的数学模型,分析了余度配置对系统的可靠性和动静态性能的影响.基于Matlab的仿真平台Simulink对冗余伺服作动系统进行了仿真分析.结果表明,系统在电气二次故障、机械一次故障的情况下仍保持较好的动态特性,系统的余度配置和管理方案使系统可靠性得到提高,动静态性能得到改善,为冗余直接驱动式伺服作动系统的研制提供了理论依据.      

一体化电液作动器容错结构设计

一体化电液作动器(EHA, Electrical Hydrostatic Actuator)是功率电传(PBW, Power by Wire)飞控操纵系统的一部分,为了保证整个飞控系统的可靠度,必须采用多余度结构配置.飞控系统分别从可靠度、任务成功率、余度和故障管理水平以及性能、重量等角度提出了EHA的设计指标要求,并按照设计指标要求,对EHA各个组成部分的失效率进行了计算.根据计算结果,针对一种可行的EHA容错结构,分别计算了由于EHA故障导致的任务中断率(PMA, Probability of Mission abort)和失控率(PLOC, Probability of Loss of Control).计算结果表明此种结构形式能够满足飞控系统对作动器可靠度的要求.最后根据选用的可靠度模型,设计出具有容错能力的多余度作动系统,并对此容错结构进行了详细阐述.      

高可靠三余度数字式作动器控制器设计与实现

对作动器控制器进行了三余度配置,介绍了冗余作动器控制器的结构、余度配置以及余度管理.结合数字式伺服作动系统的结构特点,提出了一种借助通道内控制器互监测实现通道内自监测的方法.借助比较监控、传感器自监控、通道内自监控等其它监控方法,对三余度数字式系统有效地实现了二次故障工作、三次故障安全.和其他冗余方案相比结构更简单、基本可靠性更高.基于高速数字处理器和CAN(Controller Area Network)总线开发了三余度数字式伺服作动器控制器.基于马尔可夫模型,考虑系统一次故障覆盖率、二次故障覆盖率对控制器可靠性进行了分析,该三余度控制器具有很高的可靠性.      

一体化数字液压作动系统的建模仿真和控制

随着机电液控集成一体化技术和数字液压技术的发展,基于数字缸和电液泵提出了一种新型的一体化数字液压作动系统,阐述了其系统组成和工作原理.基于AMESim建立了电液泵、数字缸及整个系统的数学模型,分别从系统的位移响应、溢流流量、电机转速和控制阀开口等方面,与传统的采用集中液压源供油和伺服阀控制伺服油缸的作动系统进行了仿真对比分析,指出了一体化数字液压作动系统的优缺点.      

泵阀协调控制电动静液作动器方案分析

针对典型的EHA (Electro-Hydrostatic Actuator)系统存在的频响较低的问题,为了兼顾作动系统的效率和频响,将控制阀引入了EHA系统,提出了3种泵阀协调控制的EHA方案,分别是:采用EHSV(Electro-Hydraulic Servo Valve)的EHA系统,采用DDV(Direct Drive Valve)的EHA系统以及采用TPCV(Total Pressure Control Valve)的EHA系统.阐述了这3种方案的系统组成及工作原理,采用AMESim对这3种方案及典型的EHA进行了仿真对比分析.从仿真结果可以看出:泵阀协调控制的EHA系统可以大大提高系统的频响,同时还具有较高的效率.作为3种过渡方案,将对目前机载电动静液作动系统的研制具有实际指导意义.      

空间用洛伦兹力激励器静态标定测试系统

基于洛伦兹力的空间用电磁激励器是空间高微重力主动振动隔离系统的核心控制部件. 为满足系统实时变化的控制器输出要求, 必须标定激励器的设计参数, 得到输出力与输入电流之间的关系. 设计了一套用于激励器静态标定的自动测试系统, 并对其硬件结构设计、软件模型及测试数据处理进行了介绍. 系统硬件结构包含力传感器、力值显示控制仪、三轴位移台、电机驱动器模块及数据接收分发模块. 系统软件采用LabVIEW编程技术, 实现了对信号的采样、显示和存储. 利用Matlab进行数据处理, 得到相应处理结果, 为激励器进一步的优化设计提供了技术依据.      

考虑容错的平面二自由度过驱动机构力矩分配

针对过驱动机器人的故障驱动器数目不多于驱动冗余个数的情况,探讨如何进行故障前后的驱动力矩分配以保证机构具有容错能力.以平面二自由度过驱动并联机器人为研究对象,基于达朗伯原理和等效力方法建立其动力学模型,在此基础上分析了部分驱动器故障后机构的动力学方程,并进一步推导故障后容错力矩再分配方法.为减小故障后驱动力矩瞬时突变对机器人末端操作的影响,提出以故障前后的力矩差值平方和最小作为优化目标来进行过驱动机构力矩分配的方法.通过数据计算比较了采用传统方法和优化方法的各关节驱动力矩的突变量之和,结果表明所提出的优化力矩分配方法可以改善容错性能.      

基于力的电动静液作动器阻抗控制

阻抗控制作为一种柔顺控制方式,能够实现力与位置的协同控制,在作动系统需要与外部环境发生接触的应用中具有一定优势。在集成、高效的电动静液作动器(EHA)上实现基于力的阻抗控制具有良好的应用前景,其中核心问题是EHA力伺服控制器的设计。针对阻抗控制中外部负载特性不确定,EHA部分结构参数时变等问题,采用定量反馈理论(QFT)的方法对力伺服控制器进行设计。在对EHA数学模型及参数进行分析的基础上,通过QFT方法将被控对象的不确定范围与系统性能设计指标相结合,并以定量的方式在Nichols图上形成边界,在使标称对象的开环频率特性曲线满足各边界约束条件的同时完成力伺服控制器的设计。通过不同外部负载条件下的力伺服控制实验以及静、动态阻抗控制实验对EHA的力伺服控制器与阻抗控制系统进行了验证。实验结果表明:通过QFT方法设计得到的力伺服控制器对外部环境具有较强的鲁棒性,从而确保了EHA阻抗控制的成功实现。     

空间微重力磁悬浮平台激励器研究

为满足空间实验室的科学实验载荷对微重力环境水平的要求,需要保证空间微重力实验载荷平台的振动隔离性能,即需要平台激励器能在控制系统的作用下适时地产生抑制平台扰动的激励力.本文提出了平台激励器的初步指标,从磁悬浮基本原理出发设计出多种结构形式,在此结构基础上完成有限元磁路仿真和激励器的线圈设计,并对各种结构形式进行比较,根据比较结果总结出各结构形式的优缺点,为激励器的具体设计提供了依据.      

基于驱动或结构冗余的并联机器人容错方法

研究了并联机器人利用驱动冗余进行驱动器故障容错及利用结构冗余进行关节故障容错的方法.结合冗余驱动并联机构的力矩分配问题的多解性,分析了部分驱动器故障后在剩余正常工作驱动器之间重新分配驱动力矩以实现容错的方法.结合结构冗余并联机构的特点,分析了放弃部分结构自由度以完成操作任务的方法.从运动学和动力学角度讨论了两类冗余机器人的特点及容错的可能性,以一种平面三自由度并联机构为实例,针对驱动器及关节故障分别分析了故障后机构运动学和动力学性能的变化,验证了采用驱动及结构的冗余进行容错的可行性.