弹簧杆刚度对电动负载模拟器的性能影响研究

　　0 引言

　　近年来,由于力矩电机技术水平的提高,同时也由于电液伺服负载模拟器本身的污染大、维护困难,使得电动负载模拟器成为国内负载模拟器研制的主流。电动负载模拟器的性能指标可以分为动态性能指标和静态性能指标,其中弹簧秆刚度的大小对两种指标均有显著影响[3],文中基于电动负载模拟器数学模型,分析了电动负载模拟器系统中弹簧杆刚度不同对负载模拟器控制系统参数和频域特性的影响。

　　1 电动负载模拟器结构

　　电动负载模拟器的原理结构如图1所示。电动负载模拟器在工作时,其控制计算机从仿真机接收力矩指令,控制力矩电机加载,同时,由于舵机在加载过程中一般处于运动状态,对力矩加载过程是一个很大的扰动,这就要求力矩伺服加载过程具有消除位置扰动的能力。

　　2 电动负载模拟器数学模型

　　对电动负载模拟器建模主要包括线性功放,力矩电机、弹簧杆、控制系统等,文献[1-2]对电动负载模拟器系统的数学模型进行了研究,得到包含控制系统的电动负载模拟器控制系统结构图如图2所示。需要特别指出的是,为了方便研究负载模拟器性能,在建模时认为舵机是理想工作的,即舵机位置伺服无相差和幅差。

　　图2中,各变量对应的物理意义如下:Lm为电机等效电感,Rm为电机等效电阻,Bm为电机阻尼系数,KT为电机转矩系数,Ke为电机反电动势常数,Jm为电机转动惯量,Kf为线性功放电压放大系数, KL为弹簧杆刚度系数,Kg为加载梯度。

　　电动负载模拟器控制系统为复合控制系统。主控制器为PID控制器,同时采用传感器测量到的输出力矩信号微分后负反馈,增大系统阻尼,提高系统的稳定性。Kfv为反馈增益系数,根据结构不变性原理,采用舵机运动速度前馈补偿舵机运动对力矩伺服加载系统的扰动,Kv为速度前馈增益系数。

　　3 弹簧杆刚度对控制器参数的影响

　　为了便于分析弹簧秆刚度不同对控制器参数的影响,对控制参数的确定采用基于时间绝对偏差乘积积分指标(ITAE)为评价指标的最优PID参数整定方法。

　　ITAE的定义如下:

　　采用ITAE最优准则来整定PID参数,必须将负载模拟器的传递函数拟合成带延迟的惯性环节式(2),拟合方法可以采用基于频域响应的Jacobian矩阵求解方法。详细PID参数整定过程见文献[4]。

　　采用上述方法可以得到负载模拟器在不同刚度系数条件下的控制器参数整定结果(见表1)。其中Kfv=0.003。

　　从表1可以看出,随着弹簧杆刚度系数的增加,根据最优PID方法整定得到的Kp、Ti和Td均逐渐减小,这主要是由于KL增大后,相当于系统前向增益增大,如果控制器增益Kp不相应减小,则含控制器的系统会因为前向增益过大而振荡。