Abstract
The accuracy of high performance electromechanical actuator(EMA) system model has important influence on the simulation accuracy of aircraft guidance and control loop. Aiming at solving the deficiency in the reflection of EMA characteristics using traditional second-order model, a high-fidelity global coupling modular structure modeling method is proposed. Based on the analysis of the modeling process, high-fidelity modeling research is conducted on "BLDCM/ball screw/fork" type EMA systems. The structure of high fidelity model is investigated, and modeling methods of nonlinear factors such as servo motor, transmission ratio, mechanical inertia and transmission flexibility in the system are examined in detail. Simulation results based on simulink platform show that the high fidelity model established by this method is highly consistent with the actual system performance of the input-output characteristics and the internal state characteristics, ensuring the authenticity of the system model, which plays an important effect on improving the simulation accuracy of the aircraft guidance and control loop.
Highlights
mechanical inertia and transmission flexibility in the system are examined in detail
Simulation results based on simulink platform show that the high fi⁃ delity model established by this method is highly consistent with the actual system performance
which plays an important effect on improving the simulation accuracy of the aircraft guidance and control loop
Summary
摘 要:针对传统二阶环节模型对舵系统实际特性反映不足的缺陷提出一种全局耦合结构模块化的 高保真建模方法。 在对建模流程进行阐述的基础上,以“无刷直流电机 / 滚珠丝杠副 / 拨叉” 类型电动 舵机为对象进行高保真建模研究。 分析了系统高保真模型组成结构,并对其中伺服电机、传动比、机 械惯量和传动柔度等非线性因素的建模方法进行详细阐述。 利用 simulink 进行仿真结果表明,建立 的高保真模型对舵机输入输出特性和内部状态特性的表现能力与实际系统高度一致,有效保证了系 统模型的真实度,对提高飞行器制导控制回路的仿真精度有重要作用。 电动舵机是飞行器制导控制系统的输出执行机 构,通过操纵舵面偏转来改变飞行器的姿态。 传统 上,在飞行器制导控制回路仿真中,电动舵机的数学 模型多采用二阶环节来表示,这类模型能够比较容 易地反映出舵机的性能指标,例如自然频率与阻尼 比,但却无法准确体现出舵机作为机电一体化系统 所具有的物理特性。 另外,传统模型往往难以准确 反映出舵机 所固有的非线性特性, 例 如 间 隙、 柔 度 等,导致仿真结果偏差大,甚至与实际不符。 因此, 有必要根据制导控制回路的仿真需求,对电动舵机 系统的高保真建模方法进行研究,建立起包含机械、 电气、控制等关键参数在内的舵系统高保真数学模 型。 电动舵机属于典型的机电一体化伺服系统。 目 前,机电系统的建模方法主要可分为 2 类:机理分析 法和实验建模法。 机理分析法是通过分析系统的运 动规律,在一些合理假设下,运用已知定理、定律和 原则建立起机电系统的数学模型;而实验建模法则 是基于系统辨识理论,通过合理的实验方法,利用输 入输出数据所提供的信息建立系统模型。 传统的理论建模法是将机电系统分成机械、液 压和电气等独立子系统,运用已知定理建立系统的 动力学微分 方 程, 最终导出机电系统的传递函数。 由于大多机电系统都是多学科交叉的复杂系统,传 统建模方法 需要跨越多个领域, 增加了建模难度。 随着计算机技术的发展,人们研究出了几种通用的 理论建模方法,如键合图法、联结法、传递矩阵法、方 块图建模法、 面向对象建模法、 系统图法和网络法等,借助计算机等工具实现对复杂机电系统的理论 建模[1⁃2] 。 但这些建模方法主要存在以下 缺 点: 1 对建模人员的专业素养要求高;2模型构造缺乏统 一规范,一致性较差,可靠性不易保证;3模型的修 改和替换工作量大。 而实验建模法需要有实际系统 作为支撑,不适合初期设计阶段的建模分析。 因此, 这 2 种方法都不适合于作为制导控制回路仿真目的 的舵系统高保真建模需求。 为了解决上述问题,本 文提出一种全局耦合结构的模块化建模方法。 其途 径是将大系统分解为子模块,对于子模块分别建立 其模型,然后子模块模型由耦合性分析关联起来,得 到系统整体模型。 因此,单个模块描述一类子系统 的通用模型,尽管实际系统可以非常复杂,但可以通 过少量模块描述包含许多部件和子系统的大系统, 且模块具有良好互换性,从而满足快速的高保真建 模需求。 利用该方法,本文针对采用“ 无刷直流电 机 / 滚珠丝杠副 / 拨叉” 典型结构的一类舵机为对 象,并基于 matlab / simulink 平台进行系统的高保真 建模研究,通过仿真分析验证了所提出建模方法的
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