考虑舵机动力学的旋转弹自适应解耦控制

为解决由气动交联、控制交联引起的旋转弹俯仰和偏航通道间的耦合问题，提出了一种考虑气动不确定和执行机构动力学的自适应解耦控制方法。以一类鸭舵作用下的双通道控制旋转弹为研究对象，建立了非旋转弹体坐标系下考虑舵机动态响应过程以及气动参数不确定性的线性化动力学模型。利用模型参考自适应控制方法作为基础框架，将跟踪误差积分扩维至被控系统以改善闭环系统的跟踪性能。将舵机输入与输出之间的误差信号反馈到参考模型中实现俯仰和偏航通道之间的解耦。通过理论分析和数值仿真，验证了所提自适应解耦控制方法的有效性。仿真结果表明，设计的自适应解耦控制器能够保证闭环系统稳定并且实现俯仰和偏航通道之间的解耦。     

形状记忆合金变刚度结构振动控制仿真研究

为了实现Ti50Ni41Cu9形状记忆合金(SMA)用于复杂结构振动控制的动力学分析,掌握变刚度振动控制的机理和控制规律,基于Kelvin-Voigt粘弹性本构关系,建立了适用于动力学分析的SMA本构模型,并通过ABAQUS编写材料本构程序,形成有效的SMA结构动力学有限元仿真方法,实现了多参数影响下SMA结构的非线性稳态和瞬态动力学仿真计算。计算结果表明:SMA的宏观本构模型能够较好地反映材料动力学性能的变化特征,编制的UMAT子程序与试验数据吻合较好;变刚度控制可以有效降低定频激励引起的稳态响应,对于悬臂板结构响应降幅在40%以上;控制速率与响应的最终变化程度无关,但会引起系统非线性特征,从而影响控制过程需要的时间;采用对向变刚度控制可以降低跨越主频的瞬态振动响应,变温速率越快,系统的峰值响应越小,快速变温时会产生自发频带现象,其对主频能量有显著分散作用,可以一定程度上抑制最大响应峰值。     

双框架MSCMG框架伺服系统的动力学解耦及扰动补偿

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)框架伺服系统是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统,针对耦合力矩对框架系统速率伺服性能的影响,以及框架系统动力学解耦之后存在残余耦合、卫星运动引起的牵连力矩和非线性摩擦的问题,提出了微分几何法与扩张状态观测器(ESO)相结合的高精度控制方法,在线性化解耦的基础上对残余耦合、牵连力矩及非线性摩擦进行观测补偿以提高框架伺服系统解耦及速率跟踪性能。仿真结果表明、由耦合力矩引起的内、外框架速率波动最大值分别从0.18(°)/s和0.12(°)/s减小到5×10^-3(°)/s和4×10^-3(°)/s,内、外框架正弦角速度跟踪误差分别从0.18(°)/s和0.19(°)/s减小到0.005(°)/s和0.004(°)/s。所提出的方法实现了框架伺服系统的动力学解耦以及非线性摩擦和牵连力矩的补偿,提高了框架系统的解耦性能和速率伺服精度。     

基于气隙磁场定向的无轴承异步电机非线性解耦控制

无轴承异步电机是一个强耦合的非线性复杂系统，实现了其电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦控制是该电机稳定运行的前提。本在研究电机磁悬浮机理的基础上，提出了利用气隙磁场定向控制来实现两之间的动态解耦控制。仿真实验也证明该控制算法不仅能实现电机稳定的悬浮，而且使电机具有良好的调速性能。     

附加连接对主动指向超静平台控制效果的影响

超精超稳超敏捷卫星在航天器星体平台的基础上引入二级控制主动指向超静平台（ASP）实现了载荷的振动隔离与敏捷机动。载荷与卫星平台之间的附加连接可能导致系统指向精度与隔振效果的下降。为此，利用仿真与试验分析研究了线缆、热管等附加连接对主动指向超静平台控制性能的影响。首先，利用牛顿-欧拉方法建立了超精超稳超敏捷卫星多级动力学模型，将线缆、热管连接等效为附加刚度，建立附加连接的力学模型，为分析附加连接对系统产生的影响提供动力学基础。其次，仿真分析了附加连接对系统隔振效果、稳定性的影响，为实际卫星的设计与测试提供理论支持。为进一步掌握附加连接的刚度特性和对系统控制性能产生的影响，设计对主动指向超静平台开展控制系统的全物理仿真试验。试验结果表明，采用试验中线缆、热管的装配布局对主动指向超静平台控制的稳定性、指向精度与稳定时间均无明显影响，试验中线缆、热管的装配布局对整星的安装设计有重要参考意义。最后，提出了一种自适应预设性能非线性控制器，解决了附加刚度存在下平台与载荷之间的耦合与振动抑制问题，数值仿真结果显示，提出的自适应预设性能控制改善了载荷与平台之间的动力学耦合问题，进一步提升了载荷的敏捷机动...     

磁悬浮球系统的一种非线性控制方法研究

介绍了磁悬浮球系统的数学模型,并构造了一种非线性状态观测器;其次,设计了一种非线性PID控制器对误差进行控制;最后,应用MATLAB工具对闭环系统进行了仿真。仿真结果表明,该非线性PID控制器可以改善系统响应的品质,实现快速无超调调节效果,并且控制器的参数可以在较大范围变化,具有较强的鲁棒性。     

星上光学有效载荷的两级隔振研究

为实现星上光学有效载荷的高成像性能,对星上光学有效载荷的两级隔振进行了研究。所谓两级隔振,即除了对控制力矩陀螺群(CMGs)等执行机构振动源进行隔振外,还在光学有效载荷和星体之间加入隔振装置。首先建立了含有两级隔振系统以及CMGs和太阳帆板的整星动力学模型,并采用ADAMS工程软件验证了所推导模型的正确性;其次,在合理假设的基础上简化模型,分别求得由扰动源到星体和有效载荷的传递函数矩阵,分析CMGs隔振平台参数变化对姿态控制系统的影响,选择合理参数分析两级隔振系统的频域特性;最后通过数值仿真分析了两级隔振系统在星上应用的可行性,并通过频谱对比分析两级隔振系统对光学有效载荷姿态稳定度的改善程度。     

磁悬浮系统的模糊控制仿真研究

以开环不稳定和强烈非线性的磁悬浮转台为研究对象,其控制器性能的好坏直接影响到磁悬浮转台的动态性能。模糊控制因其简单实用,不需要精确的数学模型等特点而成为磁悬浮控制系统的理想选择。采用模糊控制方法实现对磁悬浮转台的数字控制,利用M atlab模糊逻辑工具箱中的FIS(Fuzzy Inference System)编辑器,结合S imu link工具箱建立了模糊控制系统的仿真模型,并对整个系统进行了仿真和实验。仿真结果表明模糊控制器在磁悬浮转台起动和悬浮时响应速度快,稳定性好,抗干扰能力强。     

非线性解耦控制理论在飞控系统设计中的应用研究

根据非线性解耦控制理论设计了用升降舵、副翼和方向舵控制飞机迎角、侧滑角和滚转角速度的解耦控制律，并进行了闭环系统数字仿真研究。飞机动力学的数学模型计及了非线性气动力、运动和惯性耦合因素；操纵系统动力学模型中考虑了舵面的惯性，位置和偏转速率限幅，仿真结果表明，所设计的控制律可有效地指令飞机进行大幅值的单自由度或多自由度机动飞行，控制律中的参数变化对闭环系统动态响应影响较显著，容易导致Ｈｏｐｆ分支现象     

某型无人直升机前飞段仿真建模与试飞验证

针对某型无人直升机无铰式旋翼技术验证和飞行试验需求,建立了能够用于实时仿真的非线性飞行动力学模型,并基于经典PID控制算法完成了飞行控制律设计。为验证理论模型准确性和控制参数合理性,相继开展了盘旋飞行和大速度飞行的半物理仿真和飞行试验,并基于飞行试验控制效果评估完成了部分控制参数的优化设计。数据分析表明:半物理仿真和飞行试验的时域响应和配平特性均吻合较好,验证了非线性飞行动力学模型的准确性;飞行试验中无人直升机姿态和速度响应均能够较好地跟踪其设定值,所设计的飞行控制参数能够满足某型无人直升机稳态飞行控制要求。     

永磁同步电机有限控制集模型预测转矩控制系统研究

建立了基于定子磁链xy坐标系的永磁同步电机(PMSM)有限控制集模型预测转矩控制(FCSMPTC)系统,仿真验证了系统的有效性和可行性。针对磁链和转矩预测模型较为复杂的问题,提出了磁链和转矩的简化预测模型。理论分析、仿真和试验结果验证了FCSMPTC的简化模型与常规模型控制效果相当,可明显减小计算负担,提高系统实时性能。将电压矢量幅值和角度作为FCSMPTC的控制变量,设计了变幅值变角度的备选电压矢量集合。仿真结果表明该备选电压矢量集合可有效减小稳态转矩脉动,但动态性能不及传统备选电压矢量集合。基于不同备选电压矢量的特点,提出了根据系统状态自适应动态变化的备选电压矢量策略。仿真结果表明,该控制策略在静动态下均可取得良好的控制性能。     

带柔性静子部件的轴承共腔涡轴发动机碰摩特征

为研究具有轴承共腔结构的涡轴发动机在发生转、静子碰摩时转子-机匣系统动力学特征及机匣振动响应特征,建立了简化的转子-机匣碰摩动力学模型,并通过Runge-Kutta法进行求解。仿真结果表明:当发生转、静子碰摩时,机匣响应频谱中出现转子高倍频及其组合频率成分,高倍频成分幅值随碰摩程度加重而增大。对该型发动机进行台架试车实验,验证了该模型和结论的有效性。并利用不具有该结构的某第二代涡轴发动机试车的碰摩数据,进一步验证了带柔性静子部件的轴承共腔发动机中双转子间存在运动耦合,为涡轴发动机振动监控与故障诊断提供一定的理论依据。      

基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振系统

随着遥感卫星光学成像设备等精度的不断提升,其对振动环境的要求也在不断提高,简单的线性被动Stewart平台已经无法满足苛刻使用要求。提出了一种新型基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振平台,其单自由度元件主要由多边形膜片弹簧、压电致动器、力传感器以及柔性铰链组成。相较于传统线性隔振器存在的高静刚度和低动刚度之间的固有结构矛盾,所提出的多边形膜片弹簧作为隔振器的关键原件,兼具高静-低动（HSLD）特性,能够使隔振系统同时具备较高的静态刚度进行静态承载以及较低的动刚度进行动态减振。为了降低被动隔振系统中存在的共振峰幅值,本文在被动膜片弹簧元件的基础上串联一个压电致动器与力传感器组成的主动控制元件进行主动振动控制。仿真结果表明,采用比例积分力（PIF）反馈控制算法的主动控制系统,在频域上不仅可以通过积分力环节搭建出天棚阻尼的效果来降低共振峰峰值（11.19 dB）,而且其比例-力环节可等效为增大了质量矩阵项,能够有效降低减振系统的固有频率（20.9 Hz）,拓宽其减振带宽,并同时能维持高频段的高衰减性,在时域上也能够将系统的加速度振动幅值从±0.6g降低至±0.07g,振动衰减达88%。     

Energy-saving and accurate motion control of a hydraulic actuator with uncertain negative loads

Pump controlled hydraulic actuators are wildly used in the aerospace industry owing to the advantages of energy-saving and integrated configurations. Negative loads may occur to actuators due to external force loads or the inertial force when the actuator decelerates significantly. Uncertain negative load working conditions may cause cavitation, actuator vibration, and even instability to the motion control if the actuator is without sufficient meter-out damping. Various types of hydraulic configuration schemes have been proposed to deal with negative loads of hydraulic actuators. However, few of them can simultaneously achieve energy saving and high control accuracy. This study proposes an energy-saving and accurate motion tracking strategy for a hydraulic actuator with uncertain negative loads. The actuator’s motion is driven by a servomotor pump, which gives full play to the advantage of energy-saving. The meter-out pressure is controlled by proportional valves to provide the optimized meter-out damping. The nonlinear adaptive robust control law is designed, which guarantees the control stability and achieve high tracking accuracy. An integrated direct/indirect adaptation law obtains satisfactory parameter estimations and model compensation for asymptotic motion tracking. Comparative experiments under different working conditions were performed to validate the advantages of the proposed control strategy.     

采用压电叠层作动器的弹性梁振动主动控制实验研究简

 结构响应主动控制系统中常用的惯性作动器由于附加质量大、工作频带窄和响应速度慢等缺点,降低了控制系统的性能。压电作动器具有质量轻、工作频带宽和响应速度快等优点,作为高效执行元件能有效地提高控制系统的性能。本文采用压电叠层作动器驱动自由-自由弹性梁模型,以观测点的加速度响应为控制目标,采用频域谐波稳态控制策略进行了自由梁结构谐波振动响应主动控制实验研究。实验结果表明,本文建立的采用压电叠层作动器的结构响应主动控制系统能有效地控制弹性梁结构的振动水平,并具有快速跟踪外激励变化的自适应控制能力。     

动静压混合式气体密封追随性及主动调控振动特性数值分析

动静压混合式气体密封(DHHGS)运行中,静环对动环轴向窜动和角向摆动的跟踪响应(追随性)能够降低外界干扰对密封稳定性造成的影响。将DHHGS简化为弹簧-阻尼-质量系统,基于摄动法求解了DHHGS的动态非线性Reynolds方程,得到了表征密封动态特性的气膜刚度和阻尼系数。研究了两种DHHGS (泵入式和泵出式)在3个方向简谐激励作用下的追随性,并得到了阻封气压力对追随性的影响规律,分析了主动调控时静环的轴向自振稳定性,并给出了轴向自振的临界失稳判据。研究结果表明:即使激励振幅足够大,DHHGS仍具有良好的追随性;阻封气压力增大,密封的追随性增强;主动调控时,静环自由振动是非往复的衰减运动,密封仍能稳定运转。     

采用压电叠层作动器的弹性梁振动主动控制实验研究

结构响应主动控制系统中常用的惯性作动器由于附加质量大、工作频带窄和响应速度慢等缺点,降低了控制系统的性能。压电作动器具有质量轻、工作频带宽和响应速度快等优点,作为高效执行元件能有效地提高控制系统的性能。本文采用压电叠层作动器驱动自由-自由弹性梁模型,以观测点的加速度响应为控制目标,采用频域谐波稳态控制策略进行了自由梁结构谐波振动响应主动控制实验研究。实验结果表明,本文建立的采用压电叠层作动器的结构响应主动控制系统能有效地控制弹性梁结构的振动水平,并具有快速跟踪外激励变化的自适应控制能力。     

双盘悬臂转子的不平衡-定点碰摩耦合故障研究

以双盘悬臂转子系统为研究对象,建立了含不平衡-定点碰摩耦合故障的动力学模型.在耦合模型中,定点碰摩的碰摩力采用非线性滞回力模型来表征.在数值仿真过程中,采用线性插值法确定碰摩发生瞬时.利用数值仿真的结果分析机匣凸点材料的软、硬特性,凸点的凸出程度对转子碰摩响应的影响.结果表明:当凸点的材料较硬时,转子系统在较低的转速便会产生拟周期运动;对于较为尖锐的凸点,系统响应会表现出周期、拟周期等丰富的非线性动力学现象;转/静子间隙过小时,系统将在较宽的转速区间内产生复杂的非线性振动.      

Theoretical and experimental investigation on novel 2D maglev servo proportional valve

This paper presents a novel two-dimensional maglev servo proportional cartridge valve (2D maglev valve), where a contactless maglev coupling is introduced between electro-mechanical converter and valve body to realize functions of force transmission, spool position feedback and linear-rotary motion conversion. Such configuration can effectively reduce cost of both valve manufacturing and electro-mechanical converter, while still maintain features of 2D valve such as null pilot leakage, high power-to- weight ratio and excellent anti-pollution capacity. Firstly, the characteristic equation of the valve is derived using linear theory, and the stability criterion is established for parameter determination. The influences of crucial structural parameters such as initial height of overlapping area, width of high-pressure and low-pressure holes, acting radius of magnetic force, pitch angle of maglev coupling, length of sensitive chamber and system pressure on the dynamic response are investigated based on AMESim numerical simulation. The prototype valve is then designed and manufactured and a special test rig is built. The no-load flow characteristic, load flow characteristic, leakage characteristic, amplitude and phase frequency characteristics and step response under different system pressures are measured. The experimental results are in a good agreement with the simulated analysis. As an over-damped system, the prototype valve has excellent working stability, which can reach a no-load flow rate of 105.9 L/min with hysteresis of 3.51%, amplitude bandwidth of 28.7 Hz and phase bandwidth of 42.8 Hz under 21 MPa. The research indicates that the 2D maglev valve can be a potential solution of flow rate control valve for flight control surface system of civil aircraft with high pressure and large flow rate application.