空间精密跟瞄Hexapod平台作动器研制与实验

针对基于并联机构的空间精密跟瞄Hexapod平台的大行程、高性能要求,通过对现有主动元件的分析,从作动器角度研制了以滚珠丝杠作动器为宏动部分、压电作动器为微动部分的大行程高频响精密复合作动器,测试了复合作动器的行程、开环定位精度及动态特性,以dSPACE半物理仿真系统为核心建立了实验系统,进行了复合作动器单自由度精确定位实验和振动主动控制实验.由结果可知,复合作动器作动行程超过50mm、经微动部分补偿后的整体定位误差小于1μm、正弦持续扰动下采用自适应滤波ADC(Active Disturbance Canceller)方法使振幅下降90%以上.结果表明,将此复合作动器应用于空间高稳定精密跟瞄Hexapod平台是完全可行的.      

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.      

功率电传机载一体化电作动系统的研究

概述了近10年国内外机载功率电传一体化电动作动系统的研究发展状况,已成功的机载电力作动系统主要包括电静液作动器和机电作动器,得出了电作动器可用于未来机载作动系统相关的一系列结论;归纳了采用电力作动系统的优点;阐述了发展该机载一体化电作动系统的关键技术,包括高性能永磁、无刷直流电机-泵及其集成设计、冗余管理、高响应高精度控制等;指出了机载一体化电作动系统的研制目标和技术难点,为发展机载功率电传一体化电作动系统进行了深入的探讨.      

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.      

集成式伺服作动器压力损失特性及其影响因素

针对集成式伺服作动器液压回路的特点和选择切换功能，分析了能源切换原理、选择活门的压力损失规律及其对作动器活塞运动速度的影响。电磁阀通过控制选择活门阀芯的位置以实现不同能源的切换。分析了选择活门压力损失的成因分布与特征。由分析可知，流道结构突变处的局部损失占比最大，沿程损失可忽略不计，选择活门压力损失与流入流量的平方呈比例关系。同时，拟合出了活塞伸出运动和收缩运动时的压力损失经验系数。建立了作动器左右腔流量、压力和活塞动力学模型，发现某型选择活门压力损失使作动器活塞伸出速度下降了4.9%，收缩速度下降了5.2%。由于活塞受力情况一致，选择活门的压力损失不影响负载力与活塞速度的关系，速度下降比例与负载力无关；阀芯开度直接影响着流经系统流量，系统流量影响着流体与流道的撞击强度和频率，进而影响了选择活门的压力损失程度，速度下降百分比随阀芯开度增大而增大。分析结果可为高可靠性、高精度航空作动器伺服控制系统的设计提供技术支持。     

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。     

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.      

电动静液作动器框图建模与控制

功率电传作动系统是未来飞行控制的发展方向,它取消了传统的中央液压油源.电动静液作动器是功率电传系统的执行机构,在作动器端把电能转化为局部液压能,兼具传统液压系统和直接电力驱动作动器的优点.根据其元部件数学方程,建立非线性框图子模型,构造了一种定排量变转速电动静液作动器,完善了补油回路和摩擦特性的描述.通过考察作动器稳定性、静态刚度和动态性能指标,对单环比例、积分、微分(PID,Proportion Integration Differentiation)、多环PID、全状态反馈控制等方法进行了设计及比较分析.仿真结果表明,结合动态压力反馈策略的全状态反馈控制器能有效改善系统的动、静态性能.     

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.      

基于定量反馈理论的EHA控制器设计

定量反馈理论(QFT,Quantitative Feedback Theory)是一种鲁棒控制器设计方法,具有很好的工程实用性,在液压伺服控制领域得到了广泛应用.建立电动静液作动器(EHA,Electrical Hydrostatic Actuator)模型并简化后,基于定量反馈理论进行了内外环控制系统的设计.内环控制电动机转速,主要保证其快速性;外环控制舵面的转角,要兼顾跟踪性能、鲁棒稳定性和抗干扰能力.设计过程中考虑到了电动机、液压系统的参数不确定性和各种飞行状态下的负载变化情况,并根据内外环性能指标生成边界条件.仿真结果表明:控制器不仅对参数变化具有鲁棒性,还能很好地抑制输出干扰带来的影响,使一体化电动静液作动系统充分发挥其转矩高、功率密度大、易于维修和模块化的优点,对整个飞控系统的性能提高有很大帮助.      

自抗扰控制技术在电液力伺服系统中的应用

针对无头轧制系统钢坯闪光对焊中顶锻力伺服特性要求,提出了基于自抗扰控制技术及力同步误差反馈校正的复合控制策略.为了更准确地体现所研究电液力伺服系统的非线性、参数时变性以及执行机构的耦合特性,采用AMESim平台进行了系统建模.针对顶锻力伺服的快速大力值加载特性、顶锻过程的变刚度特性、双对接液压缸同步均载要求以及更好地消除系统的其他干扰,设计了基于自抗扰控制技术和比例积分同步误差反馈校正的复合控制策略,以提高系统的鲁棒性、力伺服的快速响应性以及双对接液压缸的同步性能.通过仿真研究,在局部冲击干扰的条件下,仿真结果证实了所提控制策略的有效性和可行性.     

五轴电液仿真转台的双马达同步控制

对五轴电液仿真转台的双马达同步驱动问题提出一种低成本方案.设计的控制器包括主免疫控制器与同步补偿器.其中,以主马达动静态性能最佳为设计目标,利用免疫算法的模糊自适应性与鲁棒性,进行了位移、速度与压力三状态主免疫控制器设计,并使其同时输出给主、从马达伺服放大器.在此基础上,以两个马达负载压力状态差值最小为控制目标,仅提取两个马达负载压差传感器的差值,运用同步补偿器对从马达控制回路进行前馈补偿实现双马达同步驱动.与采用两个编码器或两个测速电机检测双马达同步误差的方法相比,该方法成本低且易于工程实现.仿真结果表明,即使转台系统参数发生较大变化,仍可以使两个液压马达保持较小的同步误差.      

某型航天器推力矢量控制伺服机构的设计理论

针对某型航天器对伺服机构的要求,设计了推力矢量控制伺服机构.通过比较液压、气动和电动3种类型伺服机构的特点,选择了电动伺服机构.研究了包括机电作动器设计、驱动控制技术和冗余技术等电动伺服机构的3项关键技术.建立了双冗余电动伺服机构的二自由度动力学模型,对其动态性能进行了仿真研究.理论分析和仿真结果证明:电动伺服机构的方案设计合理可行,不仅满足航天器高可靠性、良好维护性等基本要求,而且满足控制系统的动态性能指标要求.     

液压放大式PZT-DDV建模与控制仿真

研制基于液压位移放大原理的压电陶瓷直接驱动伺服阀(PZT-DDV,Piezoelectric-Direct Drive Valve),实现大流量高频响的要求.分析其结构特点,建立系统数学模型,基于AMESim 和Simulink的协同仿真环境,对其进行仿真控制研究.采用AMESim建立了PZT-DDV的模型和虚拟液压测试系统,利用Simulink建立了数字控制器模型,通过接口组成协同仿真环境.针对PZT-DDV的迟滞、摩擦和液压位移放大结构的负载敏感特性,采用前馈控制改善迟滞,提高动态响应.基于LuGre摩擦力模型以及密闭腔压力监测,采用自适应backstepping方法实现摩擦及负载变化对放大机构输出位移的扰动补偿.仿真结果表明:前馈控制提高了系统的动态性能,自适应backstepping控制方法提高了系统的稳态控制精度.     

一种气浮模拟器位姿状态跟踪测量方法研究

气浮模拟器为了模拟空间飞行器在地面状态的姿态运动和轨道机动运动，需要在大平面空间和大角度空间范围内运动。运动控制和实际运动位置和姿态形成闭环控制，需要一种在超大平面空间范围内快速测量位置和姿态的测量方法和策略，从而提供高精度闭环控制。用iGPS和惯导同步测量模拟器的位置和姿态，通过飞轮和冷气喷嘴伺服动作，实现了气浮模拟器的位置和姿态跟踪，可以广泛应用于其他超大尺度空间位置和姿态测量跟踪。     

小型控制力矩陀螺扰动建模及性能指标分析

为实现遥感卫星的高精度指向能力,对遥感卫星星上常用执行机构控制力矩陀螺扰动及性能指标评定进行了研究。首先,充分考虑小型控制力矩陀螺的静动不平衡量以及框架轴的安装误差,根据动量定理和动量矩定理建立了完整的星载小型控制力矩陀螺的动力学模型,并对所建立模型的正确性进行了理论分析和仿真验证;其次,将含有扰动特性的小型控制力矩陀螺应用到星上,建立了整星动力学模型,并选用合适的框架伺服控制系统和转子伺服控制系统,完成整星的姿态稳定控制任务;最后,采用数值仿真的方式分析了陀螺转子静动不平衡因素以及框架角测量误差对星体姿态精度和稳定度带来的影响。结合任务要求,对小型控制力矩陀螺设计提出静动不平衡量等指标要求,以期使其满足星上光学有效载荷的成像要求。