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仿真转台用连续回转电液伺服马达关键技术研究

作　者: 王晓晶
导　师: 姜继海
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 连续回转电液伺服马达低速性能摩擦泄漏特性压力冲击
分类号: TM921.541
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

仿真转台是具有重要经济价值和国防战略意义的高精尖设备,它是在实验室条件下复现飞行器或导弹在空中飞行姿态的半实物仿真设备,其性能直接关系到飞行器仿真结果的逼真度,因此具有良好的超低速、高频响、宽调速、高精度的性能是高性能仿真转台的必备条件。由电液伺服马达直接驱动仿真转台避免了因传动机构引起的系统刚度差、非线性度高、控制精度低等缺点,但同时也对电液伺服马达的性能提出了严格的要求。随着现代军事技术的发展,要求仿真转台能够模拟飞行器在飞行过程中绕自身中心轴的连续旋转运动,单纯采用摆动式电液伺服马达直接驱动的液压仿真转台已经不能满足要求,在此背景下,本文对仿真转台用连续回转电液伺服马达及其控制系统进行了研究。本文查阅了大量国内外相关文献,综述了国内外仿真转台的发展概况,介绍了仿真转台用电液伺服马达的研究现状及其关键技术,分析了影响仿真转台用连续回转电液伺服马达低速性能的主要因素,概述了电液位置伺服系统的研究进展以及常用的控制策略,在此基础上提出本文的主要研究内容。分析了仿真转台用连续回转电液伺服马达能够实现转速、流量和理论输出扭矩的无结构性脉动,为了减小摩擦对马达低速性能的影响,以摩擦系数最小为目标,通过摩擦正交实验,确定了连续回转马达关键部件的材料,建立了连续回转马达内泄漏量的数学模型,并通过仿真分析了内泄漏对连续回转马达低速性能的影响。对大排量连续回转电液伺服马达进行了结构改进设计,以减小内泄漏为原则,以叶片与定子内表面的压力角最小为目标函数,设计了一种新型叶片顶廓结构,采用了配油盘及端盖一体化的端面配油结构,该结构可以减小配油盘端面的变形及内泄漏量,改善马达的低速性能。为了改善马达低速运行的平稳性,消除马达密封腔在配油过程中产生的压力冲击,设计了密封腔升压及泄压过程的缓冲槽结构,对密封腔内油液在升压和泄压过程建立了压力梯度的数学模型。分析了对于不同尺寸的缓冲槽,密封腔内压力梯度变化规律,基于流固耦合理论对马达内部流场进行了有限元分析,研究在一定径向和轴向间隙下,密封腔及缓冲槽内的压力场分布情况,验证了缓冲槽结构尺寸设计的合理性,为大排量连续回转电液伺服马达的结构设计及实验研究奠定了基础。建立了连续回转马达电液位置伺服系统的数学模型,采用正弦扫频信号作为激励信号,针对连续回转马达自身结构特点,每间隔10o对连续回转马达进行整周的闭环参数辨识实验。对采集的每组输入、输出数据对序列,采用基于高斯-牛顿优化算法的预报误差法对系统模型进行参数辨识,得到了在整周内系统模型参数的变化范围及系统的频率特性,为控制器的设计奠定基础。针对马达系统参数时变及非线性不确定性因素,本文依据连续回转电液伺服马达设计指标要求,结合系统模型参数辨识结果,利用定量反馈理论设计了一种基于输入信号微分前馈的二自由度QFT鲁棒控制器,并对基于输入信号微分前馈的QFT复合控制器与传统PID控制进行仿真研究,仿真结果表明该复合控制器可改善系统性能。本文完成了大排量连续回转电液伺服马达的结构设计与加工、装配、调试,建立了连续回转马达电液位置伺服系统实验台,研制了实验装置的硬件接口电路,编制了功能较为完善的控制软件。采用基于输入信号微分前馈的二自由度QFT鲁棒控制器,在不同的油源压力和减压阀出口压力条件下,进行低速性能、正反向特性、阶跃响应、正弦响应等实验研究。并测试了马达的摩擦转矩、最大角速度、最大角加速度以及马达的内泄漏量,通过实验验证了理论分析的正确性,实验结果表明系统具有良好的综合性能,符合仿真转台的需求。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第1章绪论  15-32
  1.1 课题研究的目的及意义  15-16
  1.2 仿真转台用连续回转电液伺服马达概述  16-20
    1.2.1 国内外仿真转台发展概况  16-17
    1.2.2 仿真转台用电液伺服马达发展概况  17-20
    1.2.3 仿真转台用电液伺服马达关键技术  20
  1.3 影响连续回转马达超低速性能的关键技术  20-24
    1.3.1 连续回转马达摩擦特性  21-22
    1.3.2 连续回转马达的泄漏特性  22-23
    1.3.3 连续回转马达高低压腔切换的平稳性  23
    1.3.4 机械加工精度和装配精度的影响  23-24
  1.4 电液位置伺服系统研究进展  24-28
    1.4.1 动静态特性研究  24
    1.4.2 超低速性能研究  24-25
    1.4.3 控制理论的应用  25-28
  1.5 定量反馈控制理论简介  28-30
  1.6 论文的主要研究内容  30-32
第2章连续回转马达基础理论分析及结构优化  32-52
  2.1 引言  32
  2.2 连续回转电液伺服马达工作原理  32-35
    2.2.1 工作原理  32-33
    2.2.2 无结构性转速脉动理论分析  33-35
  2.3 连续回转马达摩擦副材料  35-39
    2.3.1 材料的选择原则  35-36
    2.3.2 基于正交实验设计的摩擦副材料确定  36-39
  2.4 连续回转马达内泄漏量的建模及分析  39-43
    2.4.1 叶片与定子内表面间的泄漏量  40
    2.4.2 叶片端面与配油盘工作面间的泄漏量  40
    2.4.3 叶片与叶片槽配合间隙的泄漏量  40-42
    2.4.4 内泄漏对低速性能的影响分析  42-43
  2.5 连续回转马达结构优化  43-51
    2.5.1 配油盘结构改进  43-47
    2.5.2 叶片顶廓优化设计  47-51
  2.6 本章小结  51-52
第3章连续回转电液伺服马达缓冲槽压力场分析  52-79
  3.1 引言  52
  3.2 缓冲槽压力场数学模型的建立  52-55
    3.2.1 压力梯度数学模型  52-54
    3.2.2 缓冲槽的截面积  54-55
  3.3 定子短半径圆弧区密封腔升压过程  55-59
  3.4 定子长半径圆弧区密封腔泄压过程  59-61
  3.5 基于ADINA流固耦合的缓冲槽压力场分析  61-78
    3.5.1 ADINA流固耦合原理  61-66
    3.5.2 建立计算模型  66-67
    3.5.3 缓冲槽压力场分析  67-78
  3.6 本章小结  78-79
第4章连续回转马达电液位置伺服系统建模与辨识  79-93
  4.1 引言  79
  4.2 连续回转马达电液位置伺服系统数学模型的建立  79-83
    4.2.1 阀控马达动力机构传递函数  80-82
    4.2.2 电液伺服阀传递函数  82
    4.2.3 伺服放大器和位移反馈元件传递函数  82
    4.2.4 连续回转马达电液位置伺服系统传递函数  82-83
  4.3 连续回转马达传统数学模型的建立  83-84
  4.4 连续回转马达电液位置伺服系统模型整周参数辨识  84-92
    4.4.1 预报误差辨识算法的工作原理  85
    4.4.2 连续回转马达位置伺服系统状态空间辨识模型  85-88
    4.4.3 输入信号的设计及数据预处理  88-89
    4.4.4 系统整周参数辨识结果  89-91
    4.4.5 系统频率特性分析  91-92
  4.5 本章小结  92-93
第5章连续回转电液伺服马达系统控制器设计  93-107
  5.1 引言  93
  5.2 定量反馈控制设计方法  93-94
  5.3 连续回转马达电液伺服系统QFT控制器设计  94-101
    5.3.1 连续回转马达QFT控制系统结构  95
    5.3.2 连续回转马达的不确定性及各种性能指标设计  95-98
    5.3.3 前置滤波器及控制器设计  98-100
    5.3.4 控制器设计的验证  100-101
  5.4 基于输入信号微分前馈的QFT复合控制器  101-103
  5.5 控制系统仿真研究  103-106
    5.5.1 阶跃响应仿真研究  103-104
    5.5.2 正弦响应仿真研究  104-105
    5.5.3 斜坡响应仿真研究  105-106
  5.6 本章小结  106-107
第6章连续回转马达电液位置伺服系统实验研究  107-124
  6.1 引言  107
  6.2 单通道电液位置伺服系统实验台组成  107-109
  6.3 控制系统设计  109-112
    6.3.1 控制系统硬件设计  109-110
    6.3.2 控制系统软件设计  110-112
  6.4 实验结果及其分析  112-122
    6.4.1 摩擦转矩实验  112-113
    6.4.2 低速性能实验  113-118
    6.4.3 阶跃响应实验  118-119
    6.4.4 正弦响应实验  119-121
    6.4.5 最大角速度和最大角加速度测试实验  121
    6.4.6 泄漏实验  121-122
  6.5 本章小结  122-124
结论  124-126
参考文献  126-135
攻读学位期间发表的学术论文  135-137
致谢  137-138
个人简历  138

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