高品质航天伺服产品及其实现途径探索

伺服机构作为航天器控制系统的重要组成部分,有力地支撑了中国航天重大型号任务。通过回顾航天伺服产品的不同发展道路,规划了航天伺服产品3个不同发展阶段,阐述了高品质航天伺服产品稳定性、一致性和可靠性3个核心要素的内涵与关系,提出了在基础研究、数字化研发体系转型和探索飞行控制执行新原理等方面的创新发展重点,为中国航天伺服产品高品质的实现提供探索途径。

一种航天伺服作动器载荷试验台的结构设计

为了对航天伺服作动器的效率、寿命和承载能力进行检测,根据航天伺服作动器的传动特性、机械特征和指标要求确定试验台方案,设计试验台机械结构和关键零部件。增设滚珠弹簧夹块结构补偿安装和运行过程中连接件可能产生的变形,使用直线导轨实现对多尺寸作动器的通用检测,对丝杠与丝杠轴承进行寿命适配选型以方便后续检修和维护。使用ANSYS Workbench对关键零部件进行校核,根据刚度要求和精度要求调整、优化试验台的机械结构,通过计算及仿真验证了试验台设计的可行性。

航天机电伺服系统的自抗扰控制

航天机电伺服系统作用是接收火箭控制系统的指令信号并带动空气舵或者喷管跟随指令信号运动,其在应用上的主要特点是负载特性变化大.传统的PID算法在航天机电伺服系统上的应用已经比较成熟,但是在空气舵或者喷管本身负载特性发生改变时,传统的PID算法的控制效果会明显下降.因此,本文建立了航天机电伺服系统柔性运动模型,并提出了将自抗扰控制(ADRC)技术应用到航天伺服系统的控制中,实现对负载的总扰动进行实时估计和补偿.通过仿真和实验发现自抗扰控制器能够应对系统内部参数变化和外部扰动的不确定性.同时,自抗扰控制器对扫频信号具有低频范围内跟随良好,高频范围内衰减显著的特性.

特征定量识别的航天精密伺服机构轴承运行可靠性评估方法及应用

滚动轴承是航天精密伺服机构中的关键运动副,其可靠性常作为表征伺服机构寿命的重要指标。针对航天精密伺服机构的复杂载荷、极端环境与具体轴承个性问题,本文开展基于特征定量识别的航天精密伺服机构轴承动态可靠性评估方法及其应用研究。采用自适应标准多小波定量识别机构关键轴承运行状态特征,基于降半正态分布函数构建关键轴承运行状态特征与其隶属可靠度的映射关系,建立轴承运行状态信息的可靠性评估模型,为精密伺服机构轴承可靠性评估缺乏大样本数据和当下产品可靠度难以真实评价的工程难题开辟新途径。工程实例表明:该方法可以有效揭示试验台轴承外圈损伤所引起的运行可靠性降低的原因,并成功应用于评估某型航天精密伺服机构轴承运行状态。

模块化航天机电伺服系统多学科集成设计与优化

针对航天伺服系统现有设计过程中因设计参数耦合因素考虑不全导致系统性能难以进一步提高的问题,提出了一套模块化航天机电伺服系统多学科集成设计与优化方法。从产品层、部件层和零件层对系统进行了模块化划分,给出了模块化设计流程及V字数据传递路线,以具体工程实例验证了模块化集成设计与优化方法的高效性及提升航天伺服系统总体设计水平的可行性。

航天机电伺服系统产品系列化产品化技术研究

本文通过对航天机电伺服系统产品的系列化和产品化分析,开展了航天机电伺服系统的系列化、产品化体系研究,完成了机电伺服产品型谱建设、多角度多维度货架平台研究与建设、通用产品式组件的通用设计准则研究与建设,以及产品综合试验方法与平台建设;便于进一步提高航天机电伺服系统产品的系列化和产品化进程,同时便于跨领域产品应用拓展。通过关键技术研究和实际应用技术研究,以产品、专业为主线对设计、工艺、生产、试验进行产研一体化的整合,以快速提高研发能力和产品配套能力、缩短研制周期和提高成熟度为目的,大大提高航天机电伺服产品的研制进程和产品质量一致性。

机电伺服系统改进级联ADRC控制方法

针对航天机电伺服系统由于负载特性变化导致传统PID控制效果下降的问题,将自抗扰控制(ADRC)方法应用于航天伺服系统。根据航天伺服机构特点建立数学模型,针对伺服系统串级系统的特性,提出了一种改进的级联ADRC控制方法。通过3个扩张状态观测器分别估计补偿3个子系统的未知干扰,降低了系统的复杂程度,有效提高了系统电流环和转速环的系统控制性能。仿真结果表明,相较于常规的位置环ADRC控制方法,级联ADRC控制方法一定程度上降低了参数整定的难度,还能有效提升系统的抗干扰能力和系统的控制性能。

航天器制动能量管理技术研究

本文在对航天伺服系统电机特性进行剖析的基础上,开展了航天器制动能量回收利用及能量管理技术研究。首先,本文讨论了国内外制动能量管理技术的不同方案,详细叙述国内外制动能量管理技术发展情况。并基于此,分析了永磁同步电机磁场定向控制能量回收原理与控制方法,具体讨论了混合储能技术应用于航天伺服系统的可行性和关键技术。

基于SLM的伺服系统多学科联合仿真与设计优化平台

针对航天伺服系统研制流程中存在的协同设计水平不高、设计流程不统一、数据与模型管理分散等问题,以仿真生命周期管理(SLM)商业通用框架为基础定制开发了伺服系统多学科联合仿真与设计优化平台。通过对设计流程分析、流程定制、数据传递、模型管理等方面的研究与开发,将仿真融入设计流程中,实现了航天伺服系统的多学科协同建模与仿真、数据与模型的统一管理等功能,提升了航天伺服系统协同设计水平。