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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
本文针对某型航天器对作动系统的基本要求，通过比较燃气液压作动系统、电气液压作动系统、机电作动系统（简称EMA系统）三种作动系统的优缺点，选择了EMA系统。在航天器飞行的过程中，由于飞行状态的不同，EMA系统干扰力矩变化范围宽、峰值大、时变性强，因此EMA系统必须能够克服发动机或喷管等负载运动产生的力矩干扰。另外，随着EMA系统工作环境温度的变化，电机磁性能会发生改变；加上驱动装置的死区、饱和与传动机构的间隙、摩擦等非线性因素的影响，使得EMA系统的工作点经常发生变动。为此，如何克服负载干扰、工作点变动等不确定性对EMA系统控制性能的影响是需要解决的重要题目。所研究的EMA系统属于双通道交联的运动控制系统，负载在俯仰和偏航方向的运动具有较强的耦合；两台作动器驱动发动机进行推力矢量控制时，必须保证两个通道的协调动作，满足较高的控制精度要求。因此，如何实现负载双向摆动的协调控制是需要解决的另一重要题目。所有这些题目都是EMA系统在航天器应用上迫切需要解决的工程题目。本文针对航天器基本要求和上述两个工程题目，对推力矢量控制EMA系统进行了方案设计、研制了EMA系统样机，并对EMA系统的鲁棒控制技术和双通道协调控制技术展开了深入的研究。首先，在论文第二章，针对某型航天器对作动系统的要求，设计了用于推力矢量控制的EMA系统，包括作动器设计和控制器设计，并阐明了系统组成和工作原理。常规EMA系统设计通常将电机转子和负载组合为一个刚体按照单自由度系统建模，但对于驱动大惯量低刚度负载的航天器EMA系统而言，按照单自由度系统建模会带来较大的偏差。针对该题目，通过详细分析无刷直流电机、EMA传动机构和发动机负载的动力学特性，建立了EMA系统的二自由度数学模型。并根据控制系统设计需要对模型进行了简化，建立了EMA系统的单自由度数学模型。这为后面EMA系统的鲁棒控制和协调控制技术的研究提供了必要条件。其次为了提高EMA系统对负载干扰等不确定性的鲁棒性，在论文第三章将H∞控制方法应用于EMA系统。目前标准H∞控制存在的主要题目是：阶跃响应的超调较大和控制器的阶次较高。为了解决这两个题目，本文提出了改进的H∞控制与超前补偿相结合的混合控制策略。利用MATLAB软件设计了H∞控制器、改进的H∞混合控制器和经典PID控制器，其中改进的H∞混合控制器由一个降阶的H∞控制器和一个超前补偿器组成。为了科学地比较三种控制器的控制效果，对三种控制器的开环频率特性和闭环阶跃响应进行了仿真研究；然后将负载力矩作为干扰输入，得到了误差和控制输入的干扰响应，以比较三种控制器的鲁棒性。另外，建立了用于测试EMA系统指令暂态响应和力矩干扰响应的试验系统，对EMA系统三种控制器进行了试验研究；通过向EMA系统依次输入一个指令信号和一个干扰力矩，记录了其暂态响应和干扰过程。仿真和试验结果说明EMA系统在H∞混合控制器作用下，既保证了良好的动态品质，又具有强壮的干扰抑制的鲁棒性。因此，所提出的H∞混合控制方法有效地解决了航天器EMA系统动态响应超调大的题目，并较好满足了克服航天器飞行过程中不确定性的要求。再次，EMA系统在航天器飞行的过程中，要求必须能够克服参数摄动等结构不确定性的影响。为了抑制参数摄动、建模误差等混合不确定对系统性能的影响，在论文第四章，应用μ综合理论研究了一类驱动大惯量低刚度负载的推力矢量控制EMA系统的鲁棒控制技术。针对被控对象位置指令跟踪和力矩干扰抑制的性能要求，通过处理两类不确定、选择权函数设计了μ综合控制器。利用MATLAB软件对μ综合控制器在系统标称和正反向最大摄动三种情况下的控制特性进行了仿真研究，并将μ综合控制器与H∞控制器进行了比较。仿真结果表明对该类EMA系统而言，所设计的μ综合控制器有效克服了H∞控制器的保守性，能使闭环系统既具有良好的性能鲁棒性，又满足了控制系统的动态性能要求。所提出的加权函数的选取原则和设计方法有利于鲁棒控制技术在工程上的应用。最后，针对航天器推力矢量控制EMA系统在俯仰和偏航两个方向存在运动耦合的题目，在论文第五章研究了一类驱动大惯量低刚度负载的EMA系统的双通道协调控制技术。根据被控对象的运动特点，首先利用欧拉角旋转变换求解作动器线位移，实现指令摆角的解耦；然后应用经典控制和Bang-Bang控制相结合的控制策略保证系统位置响应的动态特性。建立了基于dSPACE的仿真和试验平台，利用MATLAB离线仿真确定了控制参数，应用dSPACE试验平台进行了负载摆圆试验和阶跃响应试验。仿真和试验结果表明对该类推力矢量控制系统而言，所设计的协调控制器不仅实现了双通道协调运动，还使闭环系统具有良好的动态性能。所建立的基于dSPACE的仿真和试验平台实现了离线仿真和实时试验的有机结合，提高了工程题目的解决效率。在论文结论部分，总结了论文的主要研究内容并归纳了主要研究结论。本文针对某型航天器的基本要求设计了EMA控制系统并研制了EMA样机；然后针对提高EMA系统在航天器飞行过程中的鲁棒性需求，应用H∞控制和μ综合理论研究了一类驱动大惯量低刚度负载的EMA系统的鲁棒控制技术；接着针对推力矢量控制EMA系统俯仰和偏航两个方向运动存在耦合的题目，研究了该类EMA系统的双通道协调控制技术。论文建立了一类驱动大惯量低刚度负载的EMA系统的二自由度动态模型，针对被控对象设计了改进的H∞混合控制器、μ综合控制器和双通道协调控制器，数字仿真和试验表明三种控制器可以显著改善航天器推力矢量控制EMA系统的动态性能、鲁棒性或运动协调性。论文所完成的主要研究工作为EMA在航天器推力矢量控制中的实际应用奠定了一定的基础。 |
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发表于 2022-8-30 14:23:37
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