电液伺服加载系统的研究与设计
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摘要
电液伺服加载系统是半实物仿真实验室中模拟导弹等飞行器在飞行中舵面所受空气动力载荷的重要设备，它是飞行器大回路半实物仿真系统的重要组成部分。随着国防工业的发展及新型武器系统研制的需要，各相关研究院所对电液伺服加载系统的需求越来越多，并且对其性能指标要求也越来越高。本文的目的就是针对现阶段对电液伺服加载系统提出的进一步有效抑制多余力矩和展宽系统频带等要求，分析和研究影响其性能的主要因素，以找出满足要求的解决方法。
本文重点研究了电液伺服加载系统的建模，并对所建模型进行相关的数字仿真，在此基础之上设计了一个电液伺服加载系统的实验样机。本文的主要工作有以下几个方面：
(1)对电液伺服加载系统进行建模，给出了相对统一的模型结构形式；
(2)对所建模型进行数字仿真，讨论了引起多余力矩的机理，针对电液伺服加载系统的特点，设计了系统的PID控制器，并利用不变性原理讨论了由舵机运动引起的多余力矩的补偿技术；
(3)从模型出发，分析了舵机系统与加载系统之间连接刚度在加载系统中的作用，讨论了加载梯度对加载性能的影响；
(4)给出了实验样机系统中电控系统的详细方案设计和计算机控制系统的初步方案设计，并对系统精度进行了估算；
(5)根据实验样机电控系统的方案，完成了全部电路系统的设计和加工制造。
Electro-hydraulic servo loading system (EHSLS) is an important simulation system in hardware-in-loop flight simulation laboratory, which can simulate aerodynamic loads acting on flight vehicle, such as missiles, planes. It is one of most important devices in the whole flight vehicle simulation system. Aiming at the demand of how to decrease disturbance torque and how to extend loading system's frequency band, this thesis analyses the EHSLS and finds some factors which can influence the system's performance.
In this thesis, EHSLS's mathematical model is established. Then, digital simulation and analysis about system is carried out. Last, a prototype equipment is designed to prove conclusion which is achieved from model analysis in theory. The contributions are as follows:
(1) Establish the system's mathematical model and get relatively uniform structure of model.
(2) According to digital simulation about system, the reason to produce disturbance torque is described. Then, PID control strategy is proposed and invariance theory is introduced to decrease the disturbance torque which is caused by motion of loaded object.
(3) Based on system model, influence of connection stiffness which links the loading system and steering system is analyzed, and influence of loading grads is discussed.
(4) The electric control system and computer control system about prototype equipment is designed. Then, precision of the equipment is roughly estimated.
(5) By means of project of electric control system, the design and manufacture of all circuit is accomplished.
本文重点研究了电液伺服加载系统的建模，并对所建模型进行相关的数字仿真，在此基础之上设计了一个电液伺服加载系统的实验样机。本文的主要工作有以下几个方面：
(1)对电液伺服加载系统进行建模，给出了相对统一的模型结构形式；
(2)对所建模型进行数字仿真，讨论了引起多余力矩的机理，针对电液伺服加载系统的特点，设计了系统的PID控制器，并利用不变性原理讨论了由舵机运动引起的多余力矩的补偿技术；
(3)从模型出发，分析了舵机系统与加载系统之间连接刚度在加载系统中的作用，讨论了加载梯度对加载性能的影响；
(4)给出了实验样机系统中电控系统的详细方案设计和计算机控制系统的初步方案设计，并对系统精度进行了估算；
(5)根据实验样机电控系统的方案，完成了全部电路系统的设计和加工制造。
Electro-hydraulic servo loading system (EHSLS) is an important simulation system in hardware-in-loop flight simulation laboratory, which can simulate aerodynamic loads acting on flight vehicle, such as missiles, planes. It is one of most important devices in the whole flight vehicle simulation system. Aiming at the demand of how to decrease disturbance torque and how to extend loading system's frequency band, this thesis analyses the EHSLS and finds some factors which can influence the system's performance.
In this thesis, EHSLS's mathematical model is established. Then, digital simulation and analysis about system is carried out. Last, a prototype equipment is designed to prove conclusion which is achieved from model analysis in theory. The contributions are as follows:
(1) Establish the system's mathematical model and get relatively uniform structure of model.
(2) According to digital simulation about system, the reason to produce disturbance torque is described. Then, PID control strategy is proposed and invariance theory is introduced to decrease the disturbance torque which is caused by motion of loaded object.
(3) Based on system model, influence of connection stiffness which links the loading system and steering system is analyzed, and influence of loading grads is discussed.
(4) The electric control system and computer control system about prototype equipment is designed. Then, precision of the equipment is roughly estimated.
(5) By means of project of electric control system, the design and manufacture of all circuit is accomplished.
引文
【1】 刘长年．液压伺服系统的分析与设计．科学出版社，1987
【2】 刘长年．液压伺服系统优化设计理论．冶金工业出版社，1989
【3】 裴忠才等．电液负载仿真台加载系统的校正与综合．机床与液压，2000．3
【4】 MATLAB digest. Electrohydraulic Servo Control.
【5】 林建亚．何存心．液压元件．机械工业出版社，1988
【6】 郝经佳等．一种采用弹簧挠性连接的电液负载仿真台的设计方法．机床与液压，2001．1
【7】 郝经佳等．一种用于电液负载仿真台的前馈补偿方法．机床与液压，2000．5
【8】 吴盛林等．内模控制抑制多余力矩的研究．机床与液压，2001．1
【9】 苏永清等．电液负载仿真台中小加载梯度分析．机床与液压，2001．1
【10】 阎杰．电液伺服加载系统的自适应PID控制．西北工业大学学报，1998．2
【11】 蔡永强等．电液力伺服系统的鲁棒预测控制．机械工程学报，1999．12
【12】 李运华等．舵机负载模拟器的混合控制方法研究．航空学报，1998．12
【13】 阎杰等．电液伺服加载系统数学模型的建立及有效性分析．航空学报，1998．1
【14】 阎杰等．动态负载仿真系统研制中的关键技术问题．航空学报，1997．1
【15】 李运华．负载模拟器的多余力矩的抑制方法研究．机床与液压，1999．2
【16】 苏永清等．国内电液负载仿真台研究与发展现状．机床与液压，1999．2
【17】 裴忠才等．零开口流量阀在电液负载仿真台中的应用．机械工程师，1997．5
【18】 苏东海等．加载马达的结构参数对电液负载仿真台的影响．机械工程师，1998．增刊
【19】 江加和等．电液伺服加载系统数字控制的研究．北京航空航天大学学报，2000，6
【20】 苏东海等．提高电液负载仿真台控制性能的动态补偿及仿真分析．中国机械工程，1999．1
【21】 刘庆和等．新型电液负载仿真台的研制．机床与液压，1997．5
【22】 姜佩东等．被动式加载系统多余力分析．沈阳工业大学学报，2000．6
【23】 裴忠才等．电液负载仿真台的理论分析．北京航空航天大学学报，2000．12
【24】 裴忠才等．连通孔在电液负载模拟器中的应用．机床与液压，1997．3
【25】 关静丽等．位置扰动型电液伺服施力系统的自适应控制．北京机械工业学院学报，2001．3
【26】 苏永清等．消除电液负载仿真台多余力矩的理论分析及实验研究．高技术通讯，2000．7
【27】 孙力等．六通道被动式电液伺服动态负载模拟器方案论证报告．1998．9
【28】 阎杰等．六通道被动式电液伺服动态负载模拟器研制方案报告．1999．4
【29】 阎杰等．六通道被动式电液伺服动态负载模拟器研制总结报告．2000．6
【30】 孙力．六通道舵机负载模拟器电气设计说明书．2000．8
【31】 阎杰等．六通道被动式电液伺服动态负载模拟器上位系统软硬件设计报告．2000．6
【32】 杜承烈等．六通道被动式电液伺服动态负载模拟器上下位系统软件设计报告．2000．6
【33】 胡寿松．自动控制原理．国防工业出版社，1996
【34】 陈桂明等．应用MATLAB建模与仿真．科学出版社，2001
【35】 秦继荣等．现代直流伺服控制技术及其系统设计．机械工业出版社，1999
【2】 刘长年．液压伺服系统优化设计理论．冶金工业出版社，1989
【3】 裴忠才等．电液负载仿真台加载系统的校正与综合．机床与液压，2000．3
【4】 MATLAB digest. Electrohydraulic Servo Control.
【5】 林建亚．何存心．液压元件．机械工业出版社，1988
【6】 郝经佳等．一种采用弹簧挠性连接的电液负载仿真台的设计方法．机床与液压，2001．1
【7】 郝经佳等．一种用于电液负载仿真台的前馈补偿方法．机床与液压，2000．5
【8】 吴盛林等．内模控制抑制多余力矩的研究．机床与液压，2001．1
【9】 苏永清等．电液负载仿真台中小加载梯度分析．机床与液压，2001．1
【10】 阎杰．电液伺服加载系统的自适应PID控制．西北工业大学学报，1998．2
【11】 蔡永强等．电液力伺服系统的鲁棒预测控制．机械工程学报，1999．12
【12】 李运华等．舵机负载模拟器的混合控制方法研究．航空学报，1998．12
【13】 阎杰等．电液伺服加载系统数学模型的建立及有效性分析．航空学报，1998．1
【14】 阎杰等．动态负载仿真系统研制中的关键技术问题．航空学报，1997．1
【15】 李运华．负载模拟器的多余力矩的抑制方法研究．机床与液压，1999．2
【16】 苏永清等．国内电液负载仿真台研究与发展现状．机床与液压，1999．2
【17】 裴忠才等．零开口流量阀在电液负载仿真台中的应用．机械工程师，1997．5
【18】 苏东海等．加载马达的结构参数对电液负载仿真台的影响．机械工程师，1998．增刊
【19】 江加和等．电液伺服加载系统数字控制的研究．北京航空航天大学学报，2000，6
【20】 苏东海等．提高电液负载仿真台控制性能的动态补偿及仿真分析．中国机械工程，1999．1
【21】 刘庆和等．新型电液负载仿真台的研制．机床与液压，1997．5
【22】 姜佩东等．被动式加载系统多余力分析．沈阳工业大学学报，2000．6
【23】 裴忠才等．电液负载仿真台的理论分析．北京航空航天大学学报，2000．12
【24】 裴忠才等．连通孔在电液负载模拟器中的应用．机床与液压，1997．3
【25】 关静丽等．位置扰动型电液伺服施力系统的自适应控制．北京机械工业学院学报，2001．3
【26】 苏永清等．消除电液负载仿真台多余力矩的理论分析及实验研究．高技术通讯，2000．7
【27】 孙力等．六通道被动式电液伺服动态负载模拟器方案论证报告．1998．9
【28】 阎杰等．六通道被动式电液伺服动态负载模拟器研制方案报告．1999．4
【29】 阎杰等．六通道被动式电液伺服动态负载模拟器研制总结报告．2000．6
【30】 孙力．六通道舵机负载模拟器电气设计说明书．2000．8
【31】 阎杰等．六通道被动式电液伺服动态负载模拟器上位系统软硬件设计报告．2000．6
【32】 杜承烈等．六通道被动式电液伺服动态负载模拟器上下位系统软件设计报告．2000．6
【33】 胡寿松．自动控制原理．国防工业出版社，1996
【34】 陈桂明等．应用MATLAB建模与仿真．科学出版社，2001
【35】 秦继荣等．现代直流伺服控制技术及其系统设计．机械工业出版社，1999