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变臂长电液负载模拟器及其控制策略研究
Dissertation for the Master Degree in Engineering
Research on Variable Arm Length
Electro-Hydraulic Load Simulator and Its
Control Strategy
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文
-I-
变臂长电液负载模拟器及其控制策略的研究
摘 要
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。
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文
-II-
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
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文
-III-
Research on Variable Arm Length Electro-Hydraulic
Load Simulator and Its Control Strategy
Abstract
The electro-hydraulic load simulator is a semi-physical simulation equipment for
theoretical research and experimental verification under ground conditions. It can
simulate various aerodynamic (torque) or hydrodynamic (torque) load spectra of the
load deck of aircraft or ships under different environments in the normal process of
travel under laboratory conditions. To realize the dynamic and static performance test
of aircraft or ship servo control mechanism. When the loading system simulates the
force (moment) load spectrum under different environments, in addition to the loading
force applied to the steering gear system, it will also be subjected to strong position
disturbance caused by the active motion of the steering gear system, which is a typical
passive loading system. If the loading system can not respond to the strong position
disturbance in time and effectively eliminate the disturbance, the loading force will
contain the extra force, which will work with the normal loading force to the steering
gear system, seriously affecting the loading accuracy. Therefore, the key to obtain a
high-performance electro-hydraulic load simulator is to minimize this excess force.
In this dissertation, a variable arm length electro-hydraulic load simulator is
designed according to the load simulation project of aircraft steering gear in a certain
institute of the Chinese Academy of Astronautics, based on the classical electro-
hydraulic load simulator, and attempts to improve the physical connection mechanism
of its simulation steering gear system and loading system. The improved loading force
mechanism and steering gear force mechanism are respectively hinged at both ends of
the rocker lever with adjustable fulcrum. The two mechanisms are connected through
the rocker lever and buffer spring. By calculating and adjusting the fulcrum position
of the rocker lever, the force displacement disturbance brought by the steering gear
system to the loading system can be weakened. In order to reduce the extra force of
the loading system from the structural principle; The compound control strategy based
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