动车组用高强螺栓重复使用可行性的理论分析

基于螺栓预紧力设计原理,对高强螺栓重复使用的可行性进行了理论分析。分析认为,针对螺栓重复使用带来的摩擦因数及其离散性增加的问题,可通过调整螺栓额定预紧力矩、增加螺纹润滑等修正措施来降低螺栓重复使用带来的不良影响,并提出将螺栓预紧力是否在设计范围内作为螺栓可重复使用的判断依据。

谐波减速器的非线性摩擦建模及补偿

针对带有谐波减速器的双框架控制力矩陀螺框架伺服系统中的非线性摩擦问题,提出了非线性摩擦建模及补偿方法。首先,根据框架伺服系统数学模型导出摩擦力矩与角加速度和电机电流的关系;然后,通过光电码盘测得的角位置计算角速率并设计估计器来估计电机端和负载端的角加速度,利用采样电流和估计的角加速度计算摩擦力矩,建立库伦+粘滞+Stribeck摩擦模型;最后,设计基于摩擦模型的前馈补偿控制器抑制非线性摩擦以提高系统控制精度。实验结果显示,与传统PID控制方法相比,伺服系统加入基于摩擦模型的前馈补偿之后,角速率误差曲线峰峰值减小28.2%,角速率误差均方值减小25.7%;表明通过基于摩擦模型的前馈补偿可以有效抑制非线性摩擦引起的角速率误差,提高伺服系统的控制精度。

SGCMG框架伺服系统扰动力矩的分析与抑制

在借鉴国内外相关研究的基础上， 对单框架控制力矩陀螺（ Ｓ Ｇ Ｃ Ｍ Ｇ） 的框架及其伺服驱动机构的摩擦特性和框架伺服电机的力矩脉动规律进行了详细分析， 并在采用磁通补偿和提高电流控制性能的基础上， 设计了扰动力矩观测器来进一步抑制 Ｓ Ｇ Ｃ Ｍ Ｇ 框架伺服系统的扰动力矩， 大大改善了框架伺服系统的控制性能。仿真结果表明， 提出的扰动力矩抑制方法是可行的。

SGCMG框架伺服系统动力学建模与低速控制

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)框架伺服系统内部存在的各种干扰会严重影响陀螺的力矩输出精度。为了实现力矩输出的高精度控制,需要对框架伺服系统进行精确动力学建模与控制。通过对作用于航天器上SGCMG的详细动力学分析,建立了框架伺服系统动力学模型,其中考虑了动静不平衡干扰力矩以及摩擦力矩。基于正弦永磁同步电机,利用自抗扰理论设计了框架伺服系统内外环控制器。仿真结果表明,在忽略转子不平衡所引起的高频干扰力矩的前提下,此控制器能对内外环存在的所有建模及未建模干扰进行准确估计和补偿,保证了框架的高精度控制。通过仿真还得到了转子不平衡对框架控制精度的影响量级,将为进一步研究如何抑制不平衡振动提供参考依据。

SGCMG框架伺服系统扰动力矩分析与控制

单框架控制力矩陀螺框架伺服系统对扰动力矩抑制能力的不足限制了其控制精度的进一步提高。文章对框架伺服系统受到的扰动力矩及其对框架伺服系统控制性能的影响进行了分析;设计了基于终端滑模变结构控制策略和扰动观测器的框架转速控制器;利用变结构控制对系统干扰的不变性和对滑动模态控制的快速响应特性,实现了框架伺服系统在扰动力矩波动,尤其是高频扰动力矩波动条件下的高精度控制。仿真结果表明,相比传统的比例-积分-微分控制策略,提出的控制方法可行有效,将框架转速波动量缩小了2/3。

积分反馈自抗扰控制力矩陀螺框架伺服系统设计

设计了永磁同步电机直驱的控制力矩陀螺(CMG)框架伺服系统,并提出积分反馈自抗扰控制(ADRC)伺服跟踪算法用于实时跟踪CMG操纵律输出的框架角速度指令。首先,采用电机轴电流id=0的矢量控制策略建立了CMG框架伺服系统的数学模型;然后,分析摩擦力矩和齿槽力矩对CMG框架伺服系统性能的影响,并在Matlab中搭建速度环采用ADRC的框架伺服仿真系统;最后,对框架伺服系统的速度环分别采用模糊PI、ADRC、积分反馈ADRC算法进行实验。实验结果表明:采用积分反馈ADRC算法跟踪0.1～2.0rad/s时,稳态精度为0.005～0.012rad/s;跟踪0.0～0.1rad/s时,稳态精度为0.001～0.005rad/s,临界爬行速度为0.003rad/s;跟踪2sin(t)rad/s速度曲线时,幅值误差为0.55%,相位滞后0.09978rad。结果满足CMG框架伺服系统精度高、鲁棒性强的要求。

磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动力矩分析与抑制

对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统,提出了一种基于自适应逆扰动消除控制的设计方法。该控制器采用将被控对象动态控制和对象扰动控制分离处理的方法研究了控制力矩陀螺框架伺服系统的非线性摩擦干扰力矩、陀螺房内部高速磁悬浮转子系统因框架变速转动对框架伺服系统产生的耦合力矩以及航天器姿态改变导致框架伺服系统本身的参数大范围变化等问题。设计的自适应逆扰动消除器大大改善了框架伺服系统的控制性能、提高了系统的速率输出精度。仿真结果表明,提出的扰动力矩抑制方法是可行的,具有很强的鲁棒性。

控制力矩陀螺框架控制方法及框架转速测量方法

控制力矩陀螺是一种具有力矩放大特性的惯性执行机构,通常应用于大型航天器姿态控制。近年来,随着相关技术的发展,对基于控制力矩陀螺的中小卫星快速机动平台的需求日益迫切,这不仅需要控制力矩陀螺能够输出大力矩,而且要具有较高的力矩输出精度。本文结合工程实践,提出一种框架转速精度测量方法,以及一种采用正弦永磁同步电机,基于转子磁场定向的矢量控制方案。该框架控制方案中引入摩擦力矩观测器及其补偿算法,在控制回路中通过对摩擦力矩的补偿,可有效提高框架驱动控制系统的稳定性和动态性能。

非理想梯形波反电势永磁无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法

为了提高磁悬浮控制力矩陀螺(magnetically suspended control moment gyro,MSCMG)框架伺服的精度与稳定度,针对永磁无刷直流力矩电机(permanent magnet brushless DC motor,PMBLDCM)非理想梯形波造成的换相转矩脉动,分析指出了换相反电势不平衡是造成转矩脉动产生的又一原因,且是影响低速力矩电机换相转矩脉动的主要因素。在单一直流母线电流反馈的基础上,提出了一种换相转矩自平衡控制方法,其中包括换相转矩平衡点观测器和角加速度的快速最优估计算法,有效的抑制了换相转矩脉动,提高了低速时的速率伺服精度与稳定度。

ESO增强四轴平台伺服系统抗扰能力的研究

四轴陀螺稳定平台在动基座上工作时,具有不可预知快变参考角度输入及动态干扰力矩的作用,严重影响系统控制精度。由此,在稳定回路中引入扩张状态观测器,以角位置跟踪误差作为观测输入,实时观测参考输入角加速度及干扰力矩并实施前馈补偿;同时在观测器输入端引入低通滤波环节,兼顾饱和等非线性环节作用下的系统稳定性。仿真及试验结果表明:采用以上方案可在不可预知快变角度输入、干扰力矩等因素的共同作用下,更好地实现平台的惯性空间稳定,且系统实现简单,对解决机电控制系统的类似问题具有借鉴作用。

大型控制力矩陀螺动力学精细建模与仿真

控制力矩陀螺(CMG,control moment gyro)系统存在多种误差与扰动,影响航天器的姿态控制精度.分析了大型单框架控制力矩陀螺(SGCMG,single gimbal control moment gyro)各主要组成部分的特性、误差及扰动,包括转子动静不平衡、转子轴的安装误差、轴承摩擦、转子电机特性、框架电机特性和谐波减速器特性.通过建立大型SGCMG的动力学精细模型并进行数学仿真,得到了大型SGCMG主要误差与扰动对其输出力矩的影响:在框架伺服系统加装谐波齿轮减速机构可以明显提高SGCMG输出力矩精度,同时也给框架带来高频谐振;转子动不平衡造成的扰动力矩是导致SGCMG在其力矩输出轴和框架轴方向产生输出力矩偏差的主要原因.

永磁同步电动机伺服系统转动惯量辨识

为了提高伺服系统的动态响应特性,可对负载转矩进行前馈补偿,对电机机械参数进行辨识。介绍一种基于状态观测器的扰动负载转矩观测法,以及依据自适应法对转动惯量进行辨识的方法。仿真和实验验证了该方法的正确性和可行性。

双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的扰动抑制

内外框架之间的耦合力矩和谐波减速器的非线性传输力矩是影响双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统精确角速度控制的主要因素,为了解决以上干扰问题,实现框架系统高精度角速率伺服控制提出了一种基于扰动观测器和自适应反步的框架系统复合解耦控制方法。通过扰动观测器来估计框架系统中的扰动,并结合自适应反步法获得控制律,其间将扰动估计误差当作未知参数设计了其自适应律,对扰动的两次处理使得框架系统干扰估计更加精确,同时可以保证估计参数的收敛性和整个框架系统的稳定性。仿真和实验结果表明,采用此复合控制方法,DGMSCMG框架系统扰动估计误差不超过框架系统实际扰动的3%,实际框架角速率跟踪参考指令角速率的精度达到99.2%。此复合解耦控制方法可以满足DGMSCMG框架系统抗干扰能力强、高精度角速率伺服控制的要求。

机械伺服系统基于模糊神经网络的复合控制

惯性参数大范围变化和低速状态下的非线性摩擦是制约机械伺服系统跟踪性能的主要因素,基于LuGre动态摩擦模型和干扰观测器的补偿控制可以实现非线性摩擦力矩的动态补偿,但状态观测器的设计是基于被控对象的数学模型,当负载惯性参数大范围变化时,上述控制系统性能无法保障,针对上述问题提出一种基于模糊神经网络补偿的状态观测器复合控制,分析了基于模糊神经网络补偿复合控制的理论与实现方法,并以直流电机飞行仿真转台作为被控对象进行了仿真试验,试验结果表明了控制方法的有效性。

ETLS干扰力矩抑制及加载性能改善方法

本文研制了ETLS的实验样机,建立了考虑加载系统摩擦非线性的ETLS综合数学模型。本文研究舵机系统位置扰动造成的多余力矩干扰问题,提出基于舵机系统输出角速度的前馈补偿控制进行抑制;考虑到加载系统的摩擦非线性问题,本文采用基于死区逆的方法进行补偿。接着,本文在力矩加载中存在幅值衰减和相位滞后问题上,采用基于最小均方差(least mean square error,LMSE)的幅相控制算法进行抑制以提高ETLS的加载性能,并提出基于Sigmoid函数变步长LMSE的幅相控制算法减小算法中收敛速度和稳态精度对步长需求相互矛盾,以提高算法整体改善。最后,通过仿真和实际实验,验证本文干扰力矩抑制和加载性能改善方法的有效性,在0.5 Hz和5 Hz频率下,基于本文方法的跟踪精度分别提高了87.0%和64.9%。

估计力矩反馈在CMG框架伺服系统中的应用

磁悬浮控制力矩陀螺(Control Moment Gyro,CMG)框架伺服系统的速率精度直接决定了陀螺输出力矩的精度。针对谐波减速器非线性扭转刚度引起框架系统速率精度低的问题,提出了一种基于估计力矩反馈抑制速率波动的控制方法。首先建立了带有非线性扭转刚度的框架系统动力学模型,提出一种基于离散非线性跟踪微分器估计角加速度并进行力矩反馈的方法。然后在Matlab中进行仿真分析,并在单框架磁悬浮CMG上进行试验。试验结果表明,加入估计力矩反馈后,系统动态响应性能得到提高,超调减小;框架角速率给定为10°/s时,速率波动量降低了42%。该方法可有效的提高CMG输出力矩的精度。

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性研究

控制力矩陀螺轴承组件是空间飞行器姿态控制系统的核心部件,其轴承的性能直接影响着空间飞行器姿态控制系统的控制精度和使用寿命,甚至危及空间飞行器安全.对于控制力矩陀螺轴承组件,轴承摩擦力矩大小及其波动性是轴承的关键性能指标,针对空间飞行器控制力矩陀螺轴承组件,在滚动轴承摩擦学和动力学基础上,建立六自由度控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组,并采用预估-校正的GSTIFF(Gear stiff)变步长积分算法进行求解,对其在有/无重力的工作环境、公-自转工况、轴承预紧力以及保持架兜孔间隙对轴承摩擦力矩幅值及其波动性的影响进行分析.分析结果表明:预紧力对轴承组件摩擦力矩影响显著,预紧力过大或过小都不利于降低摩擦力矩及其波动性,对于本文分析的轴承组件最佳预紧力为50~55N;保持架稳定性受重力影响显著,无重力时自转工况下保持架较稳定;过小的兜孔间隙会使摩擦力矩增大,过大的兜孔间隙会使摩擦力矩波动性增大,存在最优兜孔间隙使得摩擦力矩及其波动性都较小,针对本文分析型号的轴承组件,间隙比应控制在0.6~0.8之间.

基于参数辨识与补偿的永磁伺服系统自校正ADRC

为减少参数变化及外界扰动对系统动态性能的影响,实现交流伺服系统的高性能控制,提出一种基于参数辨识与模型补偿的自校正位置伺服自抗扰控制(ADRC)方案;以系统机械运动方程为算法模型,设计了负载转矩观测器,并利用辨识的转动惯量对观测器参数进行整定;将转子位置变化量和负载转矩变化量作为基于模型参考自适应的转动惯量辨识器的输入,用辨识得到的转动惯量和负载转矩对自抗扰控制器进行参数校正和扰动补偿。通过仿真和实验结果表明,该转动惯量辨识算法有效,参数辨识收敛速度较快,辨识结果波动较小;校正后的负载转矩的观测精度得到改善;该参数辨识和自校正措施对扰动具有较强的鲁棒性。

MSCMG无刷直流电机改进的I/f无位置起动方法

针对磁悬浮控制力矩陀螺无刷直流电机电阻、电感值极小的特点和已有的无位置传感器I/f起动算法加速阶段换相精度不高且算法复杂的问题,通过分析电磁转矩和换相时刻的关系,提出了一种改进的I/f起动方法。该方法在电磁转矩恒定的情况下,结合电机模型,精确计算出电机换相的具体时刻。为保证电磁转矩恒定,确保换相时刻的准确性,采用神经网络法估计反电势系数,并设计了基于三相绕组不对称补偿的改进的电流环。仿真和实验结果表明:所提I/f起动方法换相精度较高,能实现电机可靠快速起动。

基于PWM_ON_PWM调制方式的控制力矩陀螺框架电机驱动控制

控制力矩陀螺框架电机驱动电路采用的脉宽调制方式不同,所产生的电机转矩脉动也会不同.针对无刷直流电机驱动的控制力矩陀螺框架系统,从换相期间转矩脉动、非换相期间转矩脉动及脉宽调制方式的应用改进3个方面对不同脉宽调制方式进行分析,得出采用PWM_ON_PWM方式的转矩脉动最小,适用于控制力矩陀螺框架系统的高精度控制要求.通过仿真验证了分析的正确性.