舵机传动系统动力学联合仿真建模及实验研究

全电/多电飞行器舵机传动系统由电动舵机、传动机构、舵面以及控制系统所组成,其性能对飞行器的动态飞行品质和控制精度具有重要影响。根据电动舵机(EMA)结构组成,建立其系统动力学方程,并基于AMESim软件通过图形化建模方式建立其动力学模型。基于Virtual.Lab Motion软件建立传动机构动力学模型,此模型考虑了含间隙非线性接触碰撞效应、构件弹性变形和舵面负载等因素的影响。基于Coupled主从耦合联合仿真方式,建立舵机传动系统联合仿真模型。基于综合性能实验台开展了舵机扫频实验,并与仿真结果进行对比。结果表明:仿真结果与实验结果误差较小,验证了舵机传动系统联合仿真模型的正确性。

基于IESPSO的舵机倾转矢量动力系统建模与参数辨识

针对在旋翼动态时产生的外力矩影响下,倾转矢量动力系统中的舵机系统模型辨识精度低、实际响应难以估计的问题,本文将舵机外力矩作为扰动噪声纳入辨识环节,构建系统模型,并提出了一种基于改进生态系统粒子群优化(IESPSO)的倾转旋翼舵机系统参数辨识方法。为确保试验稳定安全进行,本文设计了倾转矢量动力系统辨识平台,进行参数辨识试验。试验结果表明,在旋翼动态时产生的外力矩噪声影响下,IESPSO相对于粒子群优化法、生态系统粒子群优化法与递推最小二乘法,均方根误差降低了1.46%,1.79%与56.37%,辨识精度有明显提升,并具备更快的寻优收敛速度。在修改搜索空间后,IESPSO仍具有较高的寻优精度,避免了在宽搜索空间下无法快速搜索至较优可行解的问题。

基于BRB-PSO的船舶舵机模型参数辨识方法研究

文中提出一种基于BRB-PSO的船舶舵机模型参数辨识方法.构造关于船舶舵机模型参数的BRB-PSO辨识模型,以描述模型输入(指令舵角和实际舵角信号)与模型输出(舵机模型参数)之间的非线性关系;建立置信规则库(BRB),通过置信规则推理得到惯性权重变化量的估计值并更新惯性权重;基于该惯性权重调整粒子群算法(PSO)中粒子的速度、位置等参数,依次迭代,直到达到停止要求,实现舵机模型参数的辨识.通过与其他典型参数辨识方法的实验结果对比,进一步说明BRB-PSO辨识方法在舵机模型参数辨识方面的优越性.

航天供配电系统舵机负载浪涌抑制策略研究

随着航天器供配电系统的快速发展,大功率机电负载的使用逐渐增多,对其负载供电品质的要求也日益严格。针对高压大功率舵机负载工作状态变化大、要求响应快、动态指标高,导致机电舵机负载在工作过程中会频繁出现换向、加减速的工作特点,对电动舵机高速制动过程中产生的反灌能量进行供配电系统影响分析,提出供配电系统反灌浪涌抑制策略,提升供配电系统供电可靠性,确保航天器飞行任务中舵机负载的全程可靠运行。

基于磁弹效应的电动舵机压力传感器设计

为了实现对电动舵机的电动缸输出轴压力的动态测量,该文设计并实现了一种基于磁弹效应的非接触式压力传感器,它包括传感器探头和信号处理电路两部分。该文首先从磁致伸缩的理论模型中分析并建立了传感器的测量原理,设计了传感器探头的结构。为优化激励源,通过实验研究分析了不同的激励源对传感器信号的影响,结果表明采用105 kHz、幅值为5 V的方波作为激励源时传感器输出信号最优,并以此设计了传感器信号电路。通过对传感器整体的压力标定实验得到传感器灵敏度为0.294 mV/N,重复性误差为3.53%,在运用三阶多项式拟合对传感器输入输出曲线进行校正后得到传感器的非线性误差为1.76%,适用于承压较大的电动缸输出轴及其他大重量设备的动态压力测量。

舵机电液换向阀弹簧缘何屡次断裂

舵机是船舶保持和改变航线的关键设备,保持舵机的正常运行对船舶安全航行非常重要。液压舵机按照其控制方式可以分为泵控型舵机和阀控型舵机,其中常用的阀控型液压舵机采用定量油泵为主油泵,一般都使用电气遥控系统操纵电磁换向阀或电液换向阀,控制油液流向和转舵方向。自动操舵仪是海船最常见的航行设备之一,其主要作用是实时的操纵舵机系统,确保船舶在设定的航向上。

船舶舵机电静液作动器的分数阶线性自抗扰控制

为改善船舶舵机电静液作动器(Electro Hydrostatic Actuator,EHA)的抗扰性能,提出一种基于线性自抗扰控制和分数阶PD控制的融合控制方法。在建立驱动电机和液压系统数学模型的基础上,利用线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)估计EHA在不同工况下所受的内外总扰动,并证明LESO的有界稳定性;进一步采用分数阶PD控制作为控制律对所估计的总扰动予以主动抑制,控制参数由剪切频率和相位裕度等频率响应指标决定。利用AMESim和Simulink联合建立EHA仿真模型,通过分析可知,所提出控制方法在船舶航速分别为6 kn和8 kn时位移控制精度均约为1 mm。利用自研EHA搭建船舶舵机半实物试验装置,进行来回摆舵和突然换向试验,结果表明在负载扰动下和有突变换向情况时,所提出控制方法对操舵指令的跟踪均具有较好的快速性和稳定性。

考虑输入时滞的舵机伺服系统自适应指令滤波输出反馈控制

针对舵机伺服系统运行过程中存在复杂非线性以及信号输入时滞、使系统的精度降低,严重时甚至造成系统失稳的问题,提出了一种考虑输入时滞的自适应指令滤波输出反馈控制策略。首先,将系统中存在的输入时滞考虑为控制器信号输入时滞,给出舵机伺服系统状态方程,选用梯度下降法设计时滞估计律对未知时滞进行估计;其次,将系统中存在的复杂非线性统一为扰动,选用扩展状态观测器(ESO)加以估计,将观测的系统状态值用于设计控制量实现输出反馈控制;然后,选用指令滤波将高阶求导过程转化为求积分,实现信号滤波以抑制微分噪声;最后,基于Lyapunov-Krasovskii泛函稳定性定理证明控制器实现系统有界稳定。仿真及实验表明,所提的控制方法与传统反步控制方法、自抗扰控制和比例微分积分(PID)控制方法相比,响应时间分别提升了92%、88%和51%,跟踪精度分别提升了90%、84%和26%。

基于分数阶自适应神经网络的电动舵机伺服系统摩擦干扰补偿控制

摩擦干扰力矩影响电动舵机伺服系统的跟踪性能,造成位置和速度跟踪偏差,甚至可能导致伺服系统不稳定。针对摩擦力矩干扰下的电动舵机伺服系统跟踪性能差的问题,本文提出了一种分数阶自适应神经网络摩擦补偿算法(FOANN),估计并补偿摩擦干扰力矩。首先,建立基于LuGre模型的电动舵机伺服系统模型,利用径向基神经网络估计模型中的不可测状态变量。其次,设计FOANN摩擦补偿控制器,利用李雅普诺夫稳定性理论证明电动舵机闭环系统的稳定性。最后,利用仿真和实验平台,对比分析了FOANN、传统PD控制和模型自适应控制的性能。结果表明,基于本文所提出的FOANN摩擦力矩补偿控制算法,电动舵机伺服系统的位置跟踪误差和速度跟踪误差均大幅减小,FOANN算法能够有效估计并补偿摩擦力矩,降低摩擦干扰对电机舵机伺服系统的影响,提高伺服系统的动态性能。

一种电动舵机的多余度传感器故障诊断方法

为了解决电动舵机多余度位置传感器奇异故障模式的诊断难题,在传统基于多余度比较的故障诊断算法基础上,提出一种基于霍尔传感器解析模型的故障诊断方法。通过霍尔传感器完整的自监控设计及舵机位置传感器的解析模型设计,形成多余度位置传感器的非相似余度信号;采用基于滑动数据窗的假设检验方法,通过调整滑动数据窗口宽度,满足传感器故障检测的虚警率和漏报率指标要求,整体形成面向位置传感器的故障诊断算法。基于某飞行器管理系统的电动舵机,开展真实位置传感器2∶2奇异故障模式的算法验证,结果表明基于霍尔传感器模型的故障诊断算法,能够有效解决2∶2等奇异故障带来的诊断问题,大幅提升传感器信号的可用性,保证伺服闭环的控制精度和容错能力。

基于FA-PID算法的电动舵机多非线性系统研究

针对制导炮弹电动舵机常规建模时常将各部分视为线性环节,且采用传统三闭环PID算法无法解决复杂非线性系统的高频响、低超调等问题。本研究充分考虑了舵机系统内部的电机、死区齿隙与LuGre摩擦等非线性环节,搭建了电动舵机的多非线性控制系统,根据舵偏角运动方向的非单一性,设计了电机的正反转逻辑换相判别模块,并在电动舵机的位置环中引入了模糊自适应PID(FA-PID)智能算法。结果表明:采用FA-PID算法相比于传统PID控制对小角度位置响应的延迟时间下降了约0.49%,上升时间下降了约6.91%,峰值时间下降了约39.94%,稳态误差下降了约94.44%,且进一步通过小角度方波/正弦位置跟踪研究同样可以得出该算法的快速性与鲁棒性。

基于FPGA的电动舵机滑模控制系统

电动舵机是现代无人机飞控系统的关键组成部分。针对传统电动舵机系统抑制干扰能力差、跟踪精度低、响应速度慢的问题,提出一种改进优化的自适应滑模控制(SMC)算法。首先,在进行系统建模和实验平台搭建时考虑了外界扰动和摩擦间隙等非线性问题,以此为基础设计了新的滑模面函数;其次,通过重新设计切换控制函数,使舵面偏转角度更加准确,有效的提高了系统的跟踪精度;最后,在系统中引入一阶低通滤波器,有效的消除了控制量抖振问题。并通过FPGA芯片实现了该算法,设计实验加以验证。实验结果表明,与传统PID算法相比,改进的滑模控制算法具有较强的抑制干扰能力和较快的动态响应速度,跟踪误差也有明显的下降。由此可见该算法在解决电动舵机的非线性问题方面具有较强的优势,基本满足舵面偏转的精准控制需求,在无人机产品的生产实践中具有较强的实际应用价值。

电动舵机内部扰动分析及建模

电动舵机中的减速机构通常会引入齿隙和摩擦等非线性内部扰动,此类非线性扰动会对电动舵机的动、静态性能造成一定影响。针对电动舵机减速器造成的内部扰动进行了分析,为了解除两级减速器内部的耦合关系,将其分为2个部分分别进行建模,再进行串联仿真。基于蜗轮蜗杆减速器建立了随外部负载变化的非线性摩擦模型,基于圆柱齿轮减速器建立了包含非线性力矩传递特性的齿隙模型。通过将模型仿真结果与舵机实测结果进行对比,确认了模型与舵机具有相同的非线性特性,验证了电动舵机内部扰动的来源,并为舵机控制算法的研究提供了良好的平台。

基于STM32的舞蹈机器人舵机控制器设计

机器人舞蹈动作的实现离不开机器人对各个关节处的舵机精确控制,而舵机控制器是控制舵机精确转动的关键,实现舞蹈机器人动作的流畅、自然的保证。基于STM32F103RCT6单片机,开发了24路舵机控制器,实现了PC端对舞蹈机器人的实时在线调试,舞蹈机器人舞蹈动作的编辑、下载及离线运行,舞蹈机器人对应角度的转动,提高了多路舵机的控制精度。系统设计包括舵机控制器模块、上位机对单片机下载程序、上位机软件。与PID舵机控制器的对比实验结果证明,所设计的STM32F103RCT6单片机舵机控制器的稳态误差和最大超调量都为0,表明所设计的舵机控制器系统超调量和静态误差都很小,系统具有很好的稳态和动态性能,控制精度高,响应速度快,满足竞赛对舞蹈机器人的需求。

燃气舵机结构热仿真与热分析技术研究

燃气舵机承受发动机喷出的高温燃气带来的高温,直接影响其可靠性。本文将热仿真与热分析技术应用到舵机结构设计中,采用Abaqus有限元软件,分析燃气舵在喷火烧蚀6s时,舵机主要传动装置的换热、变形及应力情况,并提出合理的隔热环设计方案,同时给出传动结构间隙范围,防止出现卡死、强度失效等现象。

在预紧力下电信号对舵机模态影响的试验分析

模态试验主要是选择合适测点位置,建立模型,激励并采集信号,并对信号进行识别、分析和处理,来获取试验件固有频率、阻尼、振型等模态参数。影响模态参数的因素很多,包括试验件结构、连接方式、加载载荷等,该文结合某飞行器,在舵机加载预紧力条件下有无加载电信号两种状态对飞行器及舵机模态参数的影响进行研究。

基于天牛须BP神经网络的船舶电动舵机自抗扰控制

将自抗扰控制器(ADRC)引入到智能船舵机控制优化问题中,同时将神经网络嵌入到自抗扰控制,针对电动舵机快响应、非线性的特点提出一种神经网络自抗扰控制。将天牛须搜索(BAS)寻优能力强的特性与BP神经网络中的权值与阈值寻优过程相结合,建天牛须BP神经网络自抗扰控制器,弥补了BP神经网络训练时间较长、收敛速度较慢的问题。以船舶电动舵机系统作为被控对象在该控制器下的舵机系统的控制性能得到了提升,控制精度高无超调同时具有良好的鲁棒性,同时建立的BAS-BP神经网络自抗扰控制器对于实际应用具有指导意义。

海船引航过程中遭遇舵机失控的应急处置方法探讨

随着我国经济的快速发展,长江上航行的海船越来越多,船舶日渐大型化。长江12.5米深水航道的开通后,300米的开普敦型船舶已成为长江上的常见船舶。船舶数量的增加导致船舶失控的情况相应增多,在遇到船舶失控的情况下,如果处理不当,将会产生十分严重的后果。轻则造成船舶的损坏,重则威胁到人命、财产、环境和社会安全。

考虑液压舵机系统故障的轮船航向动态状态反馈控制方法

舵机系统是控制船舶航向的关键部件,液压舵机系统出现故障,影响船舶的操纵能力和航向稳定性。因此在对轮船航向进行控制时,需要将液压舵机的故障情况纳入考量范围。对此,提出考虑液压舵机系统故障的轮船航向动态状态反馈控制方法。在构建船舶运动的非线性数学模型中加入故障因子,对故障随时间变化的情况进行表征,并将非线性模型转化为状态空间的形式。将期望舵角作为控制器的输入值,并以控制舵角作为输出值,采用模糊PID结构对控制器进行构建。结合BP神经网络对控制器的参数进行优化整定,将输出的控制参数代入模糊PID中,进行控制舵角的调整,从而实现轮船航向动态状态反馈控制输出。测试结果表明,采用提出的方法对轮船航向进行控制时,轮船的舵角变化率较低,具有较为理想的控制效果。

基于LabWindows/CVI的导弹舵机性能测试系统

为了满足舵机在性能测试过程中多目标任务的需求,设计一款舵机性能测试系统。该系统能够完成舵机空载性能测试,在四通道加载台的配合下能够模拟舵机在空中所受的负载力矩,实现加载测试。该系统基于LabWindows/CVI虚拟仪器设计平台,通过RS422传输协议实现多点多通道数据传输,产生多种测试激励信号,完成舵机上电自检、信号反馈、数据采集与信息显示等功能。通过试验,测试效果达到了相应设计的要求,相较于传统舵机测试系统提高了测试效率与测试精度。