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负载模拟器的实时控制研究

固体火箭技术 2008年第6期31卷 653-656页

作者：张小芳张广春符文星彭勤素西北工业大学航天学院西安710072 中国航天科技集团公司四院四十一所西安710025

负载模拟器可以模拟飞行器在飞行过程中作用在舵轴上的铰链力矩,是重要的半实物仿真设备之一。实时控制软件是影响负载模拟器性能指标的关键因素。简介了负载模拟器的组成及工作原理;采用W indows+RTX的方法实现了实时控制软件对高精度... 详细信息

负载模拟器可以模拟飞行器在飞行过程中作用在舵轴上的铰链力矩,是重要的半实物仿真设备之一。实时控制软件是影响负载模拟器性能指标的关键因素。简介了负载模拟器的组成及工作原理;采用W indows+RTX的方法实现了实时控制软件对高精度时钟的要求;给出了负载模拟器实时控制软件的总体结构及控制流程。实测结果表明,负载模拟器各项性能指标均达到设计要求,证明所述实时控制软件设计方法正确。

关键词：负载模拟器实时控制软件开发

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电动负载模拟器关键技术分析与验证

电动负载模拟器关键技术分析与验证

作者：梁彩亮中北大学

学位级别：硕士

船舶、导弹和飞机等作为国家军事的尖端设备,其研究周期长、成本高及调试效率低是一直以来需要解决的难题。而舵机装置是航行控制系统的重要关键部件,在飞机、导弹、船舶等领域中应用广泛。因此,舵机的各性能指标将直接关系到其运行的... 详细信息

船舶、导弹和飞机等作为国家军事的尖端设备,其研究周期长、成本高及调试效率低是一直以来需要解决的难题。而舵机装置是航行控制系统的重要关键部件,在飞机、导弹、船舶等领域中应用广泛。因此,舵机的各性能指标将直接关系到其运行的可靠性与稳定性,在条件有限的情况下,要获取舵机准确的性能参数,必须对其进行负载模拟。本课题主要是对其负载模拟器进行相关研究。其具体内容如下:（1）首先阐述了负载模拟测控系统设计思路,接着利用Twin CAT软件的实时性设计了本文的负载模拟器测控系统。最后对负载模拟器测控系统的工作机理进行了简单介绍。（2）建立了负载模拟器系统关键元件的数学模型,并将其导入到Simulink软件中进行集成。通过设定人机接口数据交互式文件,然后将各个模型进行合并,从而形成负载模拟器仿真模型,同时对负载模拟器运动特性进行了分析。（3）搭建负载模拟器的试验台,对从实验台的组成、电气装置和软件系统三方面分别进行详细介绍。并对其中软件系统的实时负载模拟系统和人机交互服务系统分别进行了设计。（4）将试验测试数据与负载模拟器模型的仿真结果进行对比,证实了负载模拟器仿真模型的正确性,从而证明了仿真模型能够很好地模拟负载模拟器工作状况。并在此基础上可以进行设备的调试,提高了调试的效率,缩短了调试周期,节约成本。

关键词：测控系统负载模拟器 TwinCAT 数学建模舵机

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某火炮随动系统负载模拟器智能控制研究

某火炮随动系统负载模拟器智能控制研究

作者：戴宇辰南京理工大学

学位级别：硕士

火炮随动系统负载模拟与检测平台是用来对炮控系统进行实时力矩加载的装置,用来模拟炮控系统真实情况下的载荷。在实验室条件下完成炮控系统的初步调试工作,该平台又称为负载模拟器。炮控系统作为负载模拟器的承载单元,会受到来自于负... 详细信息

火炮随动系统负载模拟与检测平台是用来对炮控系统进行实时力矩加载的装置,用来模拟炮控系统真实情况下的载荷。在实验室条件下完成炮控系统的初步调试工作,该平台又称为负载模拟器。炮控系统作为负载模拟器的承载单元,会受到来自于负载模拟器施加的不同形式的力矩,完成其性能的测量试验。因此对于负载模拟器的设计提出了响应速度快、加载精度高的要求。本文采用磁粉制动器作为加载元件,研究了加载系统的控制策略,设计了负载模拟器的软硬件,搭建了某火炮随动系统的负载模拟和检测试验平台,主要内容包括:(1)基于磁粉制动器,介绍了电磁负载模拟器的基本组成部分,分析了各部分功能,建立了各环节数学模型。研究了影响负载模拟器加载精度的非线性因素,提出了相应的抑制措施。(2)从磁粉制动器加载特性出发,分析了经典PID以及Smith预估控制对于磁粉制动器的控制效果,对比了两者的差异,分析了不足。探究了多余力矩产生的原因以及影响多余力矩的因素,提出了多余力矩的抑制方法。然后引出滑模变结构控制理论,介绍了其基本原理以及优势,分析了抖振的原因。(3)在研究了滑模变结构控制理论的基础上,提出了基于新型趋近律的非奇异终端滑模控制。针对抖振问题,采用了饱和函数代替符号函数的方法,有效抑制了抖振。此外针对趋近律参数需要动态调节的需求,引入了遗传算法,设计了GA-RBF神经网络参数调节器。最后经过Simulink仿真,消除了多余力矩的影响,验证了GA-RBF神经网络智能控制策略的理论可行性。(4)对随动系统负载模拟与检测平台进行了实物搭建,并介绍了软件和硬件设计。采用Qt软件进行了可视化界面设计,实时显示设备相关数据,硬件部分结合功能进行了型号的选择以及相关外围电路的搭建。最后在完整搭建的试验平台上进行了半实物的仿真,验证了本文控制策略的合理性。本文在基于负载模拟器数学模型,分析了需要解决的问题,有针对性地提出了解决方案,提高了系统的加载精度和响应速度。最后进行了半实物的仿真,证明了本文设计的负载模拟器能够满足设计指标的要求,具有实用价值。

关键词：负载模拟器磁粉制动器多余力矩滑模变结构控制 RBF神经网络遗传算法

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变臂长电液负载模拟器及其控制策略研究

变臂长电液负载模拟器及其控制策略研究

作者：梁恒哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

电液负载模拟器是一种在地面条件下进行理论研究实验验证的半物理仿真设备,可以在实验室条件下模拟飞机或船舶等在正常行进过程中,其受载荷舱面在不同环境下所受到的各种空气动力(力矩)或液动力(力矩)载荷谱,以实现对飞机或船舶等伺服... 详细信息

电液负载模拟器是一种在地面条件下进行理论研究实验验证的半物理仿真设备,可以在实验室条件下模拟飞机或船舶等在正常行进过程中,其受载荷舱面在不同环境下所受到的各种空气动力(力矩)或液动力(力矩)载荷谱,以实现对飞机或船舶等伺服控制机构的动静态性能测试。然而,加载系统在模拟不同环境下的力(力矩)载荷谱,对舵机系统施加加载力的同时,还会受到舵机系统主动运动所带来的强位置扰动,是典型的被动式加载系统。如果加载系统不能对这一强位置扰动及时做出回应并有效消扰的话,加载力当中就会包含有多余力,这部分多余力会和正常加载力一起作用给舵机系统,严重影响加载精度。所以,要获得高性能的电液负载模拟器的关键就是要最大程度的抑制这部分多余力。本文依照航天院某所关于飞行器舵机负载模拟项目,以经典的电液负载模拟器为基础,在其舵机系统和加载系统的物理连接机构上尝试加以改进,设计了变臂长电液负载模拟器。改进后的加载施力机构和舵机受力机构分别铰接在可调节支点的摇臂杠杆两端,两机构通过摇臂杠杆和缓冲弹簧相连接,利用摇臂杠杆的物理特性,通过计算和调节摇臂杠杆的支点位置,达到减弱舵机系统给加载系统带来的强制位移扰动的作用,以期从结构原理上减弱加载系统施加力当中的多余力;同时分别为舵机系统和加载系统设计基于粒子群算法(PSO)和模糊PID的复合控制策略,并通过MATLAB仿真和MATLAB与AMESim的联合仿真对其进行分析和验证。以下为本论文的主要内容:介绍变臂长电液负载模拟器的结构组成和工作原理,在理论分析的基础上初步确定摇臂杠杆支点的位置,为后续的仿真分析提供前期准备,同时建立变臂长电液负载模拟器的数学模型,为后续对系统的动态特性和整体性能的仿真分析做好准备。分析舵机系统和加载系统的开环频率特性,同时进行了两个系统在传统PID控制器下的时域仿真分析,并建立AMESim平台下的变臂长电液负载模拟器仿真模型,通过仿真着重分析不同缓冲弹簧刚度和不同的摇臂杠杆支点位置工况时,对加载系统性能和多余力的影响。为舵机系统设计PSO FUZZY PID控制器,并在此基础上针对标准粒子群算法容易陷入局部最优解的缺点,为加载系统设计SSPSO FUZZY PID控制器,通过仿真对比分析与传统PID控制器作用下的两个子系统的响应性能,验证所设计控制器的有效性,提升系统动态加载精度。建立基于MATLAB和AMESim下的变臂长负载模拟器联合仿真模型,利用MATLAB强大的数据分析能力,并通过联合仿真验证所设计控制器的有效性,使变臂长电液负载模拟器在结构改进的基础上,进一步利用所设计控制器提升加载系统的加载性能和抗强位置干扰的能力。

关键词：舵机系统负载模拟器摇臂杠杆多余力联合仿真

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电液负载模拟器非线性建模及扰动抑制研究

电液负载模拟器非线性建模及扰动抑制研究

作者：刘旭北京交通大学

学位级别：硕士

电液负载模拟器能以半实物仿真的形式去复现被试机构在实际工况下所受到的负载力,进而实现多个领域内产品的性能指标测试,这对于设备研发具有重要的意义与价值,故其在近些年仍然备受关注且研究广泛。与此同时,由于液压系统本身蕴含着大... 详细信息

电液负载模拟器能以半实物仿真的形式去复现被试机构在实际工况下所受到的负载力,进而实现多个领域内产品的性能指标测试,这对于设备研发具有重要的意义与价值,故其在近些年仍然备受关注且研究广泛。与此同时,由于液压系统本身蕴含着大量的复杂非线性因素,故对其进行精确的数学建模十分困难,所以目前电液负载模拟器的研究重点主要集中于对其非线性模型的建立及相关控制策略的设计。本文也将围绕这两点进行有关课题研究,具体研究内容总结如下:首先以阀控非对称缸式的电液负载模拟器作为研究对象,对其进行力加载系统非线性模型的建立。针对系统中存在的复杂摩擦行为,提出了基于差分进化算法优化RBF神经网络的摩擦特性建模方法,该方法通过模型参数辨识及神经网络训练两个步骤,不仅实现了近似摩擦模型的构建,而且其网络输出光滑连续解决了传统摩擦模型分段连续无法直接用于复杂控制器设计的问题。接下来针对所建立系统模型中存在的极端外部扰动即系统多余力的影响,本文提出了自适应积分鲁棒控制策略,以实现扰动抑制下的力伺服控制。首先在忽略系统刚度并将参数变化、模型误差等因素统一视为未知干扰时,设计了基于一阶模型的积分鲁棒控制器(RISE)。然后在考虑刚度的条件下,针对模型中的不确定参数设计了自适应机构,采用反步法解决输入不匹配问题,最终完成了基于三阶模型的自适应积分鲁棒控制器(ARISE)设计。两控制器均结合Lyapunov稳定性理论证明了渐进稳定的性能,并通过Simulink仿真验证了算法的可行性,与PID的仿真对比分析则表明了两控制器均具有良好的瞬态和动态性能及较好的鲁棒性。然后针对实际系统中由于成本或安装条件的限制导致加载系统速度信号往往无法直接获取的问题,本文提出了基于模糊观测器的自适应积分鲁棒控制(FARISE)策略。其通过模糊规则逼近系统未知函数的方式构建了模糊观测器以实现系统状态变量的估计,进而完成总体控制器的设计。该控制器结合Lyapunov稳定性理论被证明了具有使系统跟踪误差收敛到一个较小邻域内的性能,并通过Simulink仿真验证了算法的可行性,与PID的仿真对比分析则表明了该控制器在实现良好状态估计的同时具备优良的稳态跟踪性能及良好的鲁棒性。最后为进一步测试所提出控制策略的有效性,对所设计的三种控制器进行了基于物理模型的AMESim与Simulink联合仿真测试,仿真结果表明所设计的控制器均具有良好的控制性能并具备优良的扰动抑制能力,证明了算法的有效性。

关键词：负载模拟器摩擦特性建模积分鲁棒控制模糊观测器联合仿真

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低波动摩擦力矩负载模拟器关键技术研究

低波动摩擦力矩负载模拟器关键技术研究

作者：刘世勇中北大学

学位级别：硕士

负载模拟器作为飞行器舵机性能测试的主要地面测试装备,可模拟舵机真实工况下的各种受力情况。在多种力矩模拟过程中,摩擦力由于自身的复杂性和非线性,使其高精度模拟成为当前负载模拟的一大难题。基于此,本课题针对动静低波动摩擦特性... 详细信息

负载模拟器作为飞行器舵机性能测试的主要地面测试装备,可模拟舵机真实工况下的各种受力情况。在多种力矩模拟过程中,摩擦力由于自身的复杂性和非线性,使其高精度模拟成为当前负载模拟的一大难题。基于此,本课题针对动静低波动摩擦特性进行研究,致力于解决低波动摩擦力矩模拟问题。在实现过程中针对摩擦本身非线性引起的波动,通过摩擦本身的动静态特性分析,找到引起摩擦力矩波动的原因,主要在于最大静摩擦和动摩擦的转换、stribeck效应和粘滞摩擦。对近年来提出的摩擦模型对比分析,确定以Lu Gre摩擦模型为基础,借助摩擦模型中参数对应的实际物理意义,分析结果表明摩擦模型表面刚度系数和阻尼系数对摩擦加载波动影响较大,为摩擦材料选取和摩擦条件提供理论基础。对于机械结构和工况导致的力矩波动,在确定摩擦加载方式后,分析摩擦结构中摩擦副贴合度、传感器连接刚度、加载间隙等对于摩擦加载造成加载滞后、加载过程中波动现象。根据微积分算法,推导出摩擦力矩的计算公式,分析摩擦片结构参数对摩擦力矩波动的影响,并分析由于摩擦引起的温度变化,通过降低润滑膜粘性和表面剪切刚度造成摩擦加载波动。其为摩擦加载结构优化、摩擦片参数设计、摩擦加载温度提供理论依据。为考核其低波动摩擦对舵机性能测试影响,对负载模拟系统和舵机系统进行数学模型的建立,通过Simulink仿真分析发现摩擦加载波动对舵机测试造成位置误差增加相位滞后、舵机控制电流突变等影响舵机测试可靠性。最后,在所搭建的负载模拟器上进行摩擦力矩加载测试实验,通过不同材料性能测试和不同摩擦加载结构加载试验,发现摩擦加载的波动得到了有效的抑制,可以满足负载模拟器低波动摩擦加载试验要求。

关键词：负载模拟器摩擦加载摩擦力矩波动数学模型

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重载航空负载模拟器非线性最优前馈补偿控制

航空学报 2016年第2期37卷 669-679页

作者：欧阳小平李锋朱莹杨上保杨华勇浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杭州310027 航空机电系统综合航空科技重点实验室南京211100

重载航空负载模拟器是用来模拟"C919"、"运-20"等重载飞机舵面工作载荷的地面仿真平台。设计了一种重载航空负载模拟器,采用非对称缸作为执行机构以在小体积下完成大载荷加载。为了消除多余力对重载航空负载模拟器加载精度的影响,分析... 详细信息

重载航空负载模拟器是用来模拟"C919"、"运-20"等重载飞机舵面工作载荷的地面仿真平台。设计了一种重载航空负载模拟器,采用非对称缸作为执行机构以在小体积下完成大载荷加载。为了消除多余力对重载航空负载模拟器加载精度的影响,分析了非对称缸正反向运动和大载荷变化下伺服阀流量增益的非线性变化对前馈补偿函数的影响,并设计了非线性参数估计控制器。同时分析了加速度等动态参数变化和静态参数的误差对多余力消除的影响,设计了参数最优控制器。仿真和试验结果均表明,相比于传统前馈补偿控制器,所设计的非线性最优前馈补偿控制器下的加载精度和多余力抑制能力提高了50%以上。

关键词：重载负载模拟器多余力非线性控制前馈控制

基于二次调节原理的力矩负载模拟器中压力波动的补偿

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航空学报 2008年第1期29卷 251-256页

作者：王晓东焦宗夏谢劭辰北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100083 北京航空航天大学无人机研究所北京100083

基于静液二次调节原理的力矩负载模拟器具有能够连续高速旋转和无多余力矩的特点。在恒压网络中,二次元件的力矩输出与其斜盘倾角成正比,即:如果系统压力出现波动,也将导致输出力矩的波动。导致系统压力变化的原因可能是油源压力脉动,... 详细信息

基于静液二次调节原理的力矩负载模拟器具有能够连续高速旋转和无多余力矩的特点。在恒压网络中,二次元件的力矩输出与其斜盘倾角成正比,即:如果系统压力出现波动,也将导致输出力矩的波动。导致系统压力变化的原因可能是油源压力脉动,但更主要是负载的变化。为了研究压力波动的影响及补偿,建立了基于静液二次调节原理的力矩负载模拟器,给出了仿真参数,并在此基础之上进行了仿真研究。为了提高力矩跟踪精度,提出利用斜盘倾角传感器和系统压力传感器来进行压力补偿,可有效地将系统压力波动对于力矩输出的影响抑制到20%左右。仿真和试验验证了此补偿方法的有效性。

关键词：二次调节负载模拟器压力波动前馈补偿变增益

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广义负载模拟器的广义力误差最小轨迹规划

上海交通大学学报 2010年第7期44卷 887-891页

作者：王宣银吴乐彬浙江大学流体传动及控制国家重点实验室杭州310027

研究了基于结构化空间刚度的广义负载模拟器的轨迹规划问题,建立了主从式双并联广义负载模拟系统的数学模型.以广义力为优化目标,提出一种广义力误差最小的轨迹规划方法,并将轨迹分解为静态最优轨迹和动态补偿轨迹.最优轨迹中根据虎克... 详细信息

研究了基于结构化空间刚度的广义负载模拟器的轨迹规划问题,建立了主从式双并联广义负载模拟系统的数学模型.以广义力为优化目标,提出一种广义力误差最小的轨迹规划方法,并将轨迹分解为静态最优轨迹和动态补偿轨迹.最优轨迹中根据虎克定理给出广义力到位姿的映射关系,补偿轨迹在最优轨迹离散点附近线性化动力学方程,用于抵消惯性载荷的影响.仿真结果表明,该方法可用于空间加载轨迹的高精度实时生成,其广义力误差小于0.9‰,对实际工程具有重要意义.

关键词：负载模拟器并联六自由度牛顿迭代法轨迹规划