变刚度的刚度计算和优化负载转矩仿真系统

文摘

本文提出一种新颖的设计为变刚度负载转矩仿真系统。该系统应用于负载转矩在实时半实物舵系统(边境)。与传统的加载方法相比,不可避免的存在额外的扭矩,变刚度的加载系统采用“先分解,然后耦合”的方法输出负载转矩,并显著减少额外的扭矩。基于风洞试验获得的实验数据,提出了一种计算方法来确定刚度加载系统的加载参数变量。自负载刚度与多种因素相关,硬度值从风洞试验获得的数据,如固定马赫数和舵偏转角度,不是定值。通过分析加载参数的影响因素,得到一组最佳的负载刚度使用优化算法,实现负载转矩和精确跟踪。使用的计算方法获得加载转矩舵为例,转矩跟踪误差小于0.05纳米。仿真结果表明,文中提出的计算方法对变刚度加载是有效的。

1。介绍

一个铰链的时刻是指一个气动力产生的转矩作用于飞机的舵轴的表面(1- - - - - -3]。舵负载转矩仿真系统是用来模拟铰链力矩在飞机的飞行和舵的评估实际工作负载执行飞行仿真和性能测试的飞机在加载条件下(4]。加载系统可分为机械加载系统,液压加载系统,根据不同的负载执行机构(电动加载系统5,6]。机械加载系统主要使用重量,惯性板和扭杆弹簧加载媒体。这种类型的加载系统与固定刚度,结构简单可靠,并且不需要任何额外的权力;然而,它不能跟踪不断变化的负载。电液加载系统采用液压马达或液压缸作为执行机构,快速反应的优势,优越的动态性能,精度高,功耗的缺点,噪音,能源利用率低、附加转矩(7,8]。传统的电动加载系统采用力矩电机、小信号跟踪能力强,性能稳定,体积小。然而,这种类型的系统作为扭矩控制变量(9- - - - - -11),必须跟踪的位置命令舵,同时跟踪转矩指令信号。因此,额外的转矩的存在是不可避免的12- - - - - -14]。

变刚度加载模式使用扭力杆弹簧加载介质和变化的刚度调整扭杆弹簧的工作长度。因为扭杆弹簧的实际负荷和实际负载舵在导弹飞行的弹性加载,加载模式可以更好地模拟实际的负载的舵。负载模式采用“先分解,然后耦合”的方法。使用这种方法,更好地实现动态加载精度。此外,这种方法是一种间接的方法关于扭矩加载,它提供了一个技术挑战在计算变刚度负载模拟器仿真数据获得参数和输出的负载转矩和两个加载部分。本文提出了一种负荷参数计算方法;这个方法是结合现有的数据从风洞试验获得,得到半系统(边境)使用一个模拟计算机。

优化方法是一种数学方法,研究如何找到某些因素与给定约束和某些指标达到最优效果。谢弗(15)提出了使用遗传算法解决客观问题的优化。Rahmati et al。16)设计了一种非线性目标优化方法提高橡胶的被动控制性能通过最小化的破坏性冲击和随机激励的影响。通过分析初始负载刚度的影响作用于负载效应,必须优化加载参数获得最佳工作效果。

2。变刚度加载系统的基本原理

2.1。变刚度加载系统的构成

如图1的变刚度加载系统是由一个基本平台模拟器,负载刚度伺服系统,动态攻角补偿系统,舵输出轴连接器和辅助组件(17]。

加载系统采用两个加载部分的组合:一个被动加载部分和一个活跃的加载部分。前使用一个舵偏转角度。后者使用一个动态的攻角补偿。负载刚度使用刚性伺服电机伺服系统调整刚度通过扭杆弹簧的工作长度的变化。舵的主动运动模拟了舵偏转负载转矩(RDLT)。扭力杆弹簧的一端连接到输出轴舵。当舵执行一个活跃的运动,产生约束扭转角,而扭力杆弹簧的夹点是固定的活动夹组装。攻击的动态角度补偿系统使用一个攻角伺服电机模拟nonrudder偏转负载转矩(NRDLT)。电动机输出一个角驱动夹组装用的夹点捻扭杆弹簧产生约束扭转。迎角伺服系统将NRDLT添加到生成的RDLT舵偏转的扭力。 The two parts of the torsion angle (the rudder deflection angle and the nonrudder deflection angle) constitute the total torsion angle for generating the target load torque to simulate the load spectrum on the rudder shaft during a missile’s flight.

我们定义负载刚度单位造成的转矩角的扭杆弹簧。之间的关系和规模结构呈现 在哪里扭转角;是转矩;的部分因素是矩形材料; , ,和工作长度、厚度和宽度,分别扭杆弹簧;和是弹性剪切模量。

证明了公式(1),改变工作扭杆弹簧的长度可以改变刚度(18),使负载刚度变化通过一组刚度伺服系统在不同飞行高度和马赫数。动态攻角补偿机制生成输出转矩的扭转角跟踪的变化NRDLT攻角所造成的。因此,负载刚度和等效攻角是加载变刚度加载系统所需的参数。

2.2。负载转矩的成分

铰链之间的相关性 ,舵偏转角度 ,和攻角是(19] 在哪里和参考力矩梯度的攻角和舵偏转角度,分别。这些值与参数如飞行高度和马赫数。

表达的公式(2),负载转矩由两部分组成:变化缓慢端依赖负载转矩攻角所造成的和deflection-dependent负载转矩舵的特点有关。

为了便于实现加载,我们考虑等于 ,这两个被称为负载刚度,用 。 有关飞行马赫数和高度如下:

根据转矩的特征导弹在飞行过程中,见公式(2)、变刚度负载转矩仿真系统将扭矩划分为两个部分。在导弹的飞行过程中,负载刚度会改变根据马赫数的变化,高度,和其他参数(20.]。因此,改变负载刚度相对较慢的速度。攻角的变化频率是有限的,而改变为不同类型的舵舵偏转变化显著。例如,动态的频率通常是10 Hz nonspinning导弹舵,而旋转导弹舵有更高要求的动态频率。因此,负载转矩的舵在导弹的飞行包括两个部分:相关RDLT舵的特征和NRDLT相对缓慢的变化。

扭力杆弹簧提供的负载转矩是一个被动的扭矩与舵偏转角度。舵的主动运动不是一个耦合的负载转矩扰动而是负载转矩的一部分。扭力杆弹簧的固有频率非常高;因此,该系统可以有效降低传统的附加扭矩加载装置。通过输出补偿力矩马达攻角,系统输出转矩补偿基于负载转矩引起的舵偏转角的主动运动,提高了动态加载精度和舵的响应带宽负载。

2.3。实现攻角补偿

不同于 。在公式(2),通过引入负载刚度 ,如果铰链力矩不变,攻角必须转化为等效攻角吗 ,从公式(4)。

自扭矩扭力杆弹簧扭转角成正比,它可以输出等效攻角的攻角伺服系统的一部分,在扭力杆弹簧。这个力是NRDLT。由于有限的攻角变化的频率和振幅在实际飞行中,频率和振幅转换后的等效攻角通常很小。

3所示。加载参数的计算原理

传统的电动加载方法,将转矩作为控制变量,获得实时负载转矩通过接收一个插值离散数据点的仿真计算机使用一个边境。负载转矩仿真系统需要跟踪跟踪舵偏转角时转矩命令。因此,该耦合系统将产生额外的扭矩,从而影响加载精度和响应带宽。

通过引入负载刚度,本文将负载转矩划分为两个部分。关键问题在于加载参数计算得到的实时负载转矩与马赫数的飞行高度,和其他因素。计算原理给出了利用风洞试验数据如下:(我)固定马赫数条件,负载转矩的值对应于每个攻角(即。,the NRDLT caused by the angle of attack) is taken as the offset at the 0° rudder deflection angle, which is denoted as 。(2)马赫数条件的步骤(i),负载转矩 当舵偏转角度不是0°。这个方程证明了铰链的时刻分为NRDLT吗和RDLT ,在RDLT线性相关性与舵偏转角 。(3)线性化理论是制定 在哪里和负载转矩值当马赫数和攻角是等价和舵偏转角度不同。因此,转矩舵偏转角的梯度 获得;负载参数之一,负载刚度 获得的。与梯度和无量纲铰链力矩系数 ,提出了以下公式: 在哪里 ,飞行速度,是参考区域的控制面,的平均气动弦控制表面。由于空气密度会改变按照海拔在实际飞行过程中, 在哪里 和 。因为从风洞试验获得的数据不考虑飞行高度的影响(空气密度是常数)或高度对刚度的影响,修正系数需要增加刚度使用风洞试验获得的数据: 和负载刚度修正 (iv)攻角值所需的铰链的时刻米_h0转换为等效攻角吗 ,这是定义为 。

根据变刚度负载模拟器的工作原理,这个解决方案的目的是获取加载参数、负载刚度 ,和等效攻角 ,在每个采样时间。

4所示。加载过程的实现

变刚度加载的过程中,需要进行两个步骤:首先,合理的加载参数(包括负载刚度和等效攻角)必须基于现有的风洞试验获得的数据;其次,由此产生的加载参数必须合理地应用于加载装置来获取所需的负载效应。

4.1。解决方法

加载变刚度的概念总结如下:在加载过程中,加载刚度变化按照马赫数和高度的变化。工作长度的变化的扭杆弹簧主要取决于马赫数和高度的变化。负载刚度下的攻角转换称为等效攻角。目标负荷扭矩是由弹簧的扭转角,由等效攻角和舵偏转角度。

加载流程解释如下:(我)现有的风洞试验数据处理和负载刚度K测试的马赫数。(2)实时数据(包括马赫数,高度,舵偏转角度,攻角,和相应的负载转矩)从仿真计算机读取。(3)负载刚度对当前马赫数由插值计算,和修正系数介绍了考虑海拔在负载刚度的影响。因此,实时负载刚度对当前飞行条件。计算刚度伺服系统跟踪实时负载刚度通过改变工作扭杆弹簧的长度。舵偏转的主动运动驱动扭力杆弹簧的变形产生RDLT负载刚度。(iv)目标负载转矩和负载刚度从步骤(3)用于计算实时NRDLT ,和等效攻角目前计算。攻击的动态角度伺服系统驱动扭力杆弹簧的变形通过力矩电机等效攻角的跟踪输出NRDLT。在点的负载刚度,扭转弹簧的舵偏转角引起变形。基于变形,力矩电机跟踪等效的叠加角弹簧扭转角的攻击输出,这是一个组合动作输出目标负载转矩。

4.2。解决方案示例

如图2的曲线线负载刚度,这对应于马赫数和攻角的变化,是通过风洞试验获得的数据按照该方法。

攻角的变化不会影响负载刚度在小角度范围内。负载刚度的计算使用风洞试验数据的一组固定马赫数表所示1。负载刚度对其他马赫数由插值获得在飞行。

模拟计算机给出以下信号:(我)攻角信号是正弦信号的振幅0 ~ 2°和0.8赫兹的频率。(2)马赫数信号是0.4 ~ 1.1 Ma的斜坡信号从0 ~ 4 s,剩余1.1 Ma从4到8年代。(3)仿真时间是8秒。

舵偏转角信号使用Schroeder-phased谐波信号(sph),由施罗德提出(21)和叠加几个振幅值,时间,和余弦波与初始阶段有关。初始阶段的构成角度信号的余弦组件调整形成周期性的多频信号具有独特的特征,与一般的数学表达式 NH的谐波信号数,的振幅是吗k谐波,的初始阶段吗kth谐波是基波的周期信号。在实际应用程序中, 通常是采用;因此,给出以下形式:

本文采用一个舵偏转角信号 和 ,

输入信号曲线如图3。

在加载过程中所需的负载刚度曲线如图4。

如图4,负载刚度是通过插值离散数据列在表中1。变化负载刚度变化缓慢,因为马赫数不显著改变。

相当于攻角的曲线根据公式计算4),如图5。变化的频率和振幅都是小;因此,攻角伺服系统可以充分跟踪等效攻角。

比较实际命令负载转矩和负载转矩图所示6。

在图6(一),命令发送的负载转矩的转矩命令实时仿真计算机,通过风洞试验数据插值计算。获得实际的负载扭矩共同作用的等效攻角和实时舵偏转角计算实时负载刚度点根据本文提出的方法。基于本文提出的方法,图6 (b)充分显示了变刚度加载系统可以跟踪负载转矩、最大跟踪误差为0.05 Nm。

5。优化的负载刚度

如图2,负载刚度并不是一个恒定值的条件马赫数和舵偏转角是固定但略有不同攻角的变化。我们只获得少数离散数据点的有限数量的风洞测试。负载转矩通过插值离散数据点从风洞试验获得的数据 ,和实时负载刚度和等效攻角部分中描述的方法获得的3。实际的负载转矩是间接获得 ;也就是说, 在哪里和加载系统的实时输入,仿真计算机和获得的吗和伺服系统的实际输出刚度和攻角伺服系统,分别。

负载刚度值了(K = 0.02,0.1,0.253),固定马赫数(马= 0.4,0.8,1.1),如表所示1。对于一个给定的马赫数,实际的负载转矩计算与不同的负载刚度为初始值。与命令转矩,转矩跟踪误差是用来评估跟踪的效果。跟踪误差表示 。均方根误差的跟踪负载转矩作为评价参数用于转矩跟踪效果,被称为 在哪里转矩跟踪误差序列的长度。

所反映的数据表2,负载刚度的不同固定马赫数有一定影响的跟踪加载转矩。这个结果是因为刚度的解决方案是基于马赫数值插值和离散数据点在风洞试验数据作为负载刚度的重量为其他任意马赫数条件。因此,必须有一组固定马赫最佳负载刚度值,造成负载转矩的均方根误差方差达到最小。在本文中,使用遗传算法来训练风洞测试数据调整刚度值获得固定马赫数。优化的目的是用于获得最优的一组负载刚度。

我们选择一个独立的变量 ,公式(14)作为目标函数。目标函数的范围。

最优优化计算,得到的结果是和的最小值,如表所示3。

6。结论

本文提出了一种负载刚度求解方法基于变刚度舵模拟加载系统和优化离散负载刚度的设计从风洞试验数据获得的数据点。结论如下:(我)变刚度舵模拟加载系统可分为扭矩加载到RDLT和NRDLT与扭杆弹簧加载介质。两个数据计算得到的负载参数,“第一分解然后耦合”的方法是用于输出负载转矩。(2)动态攻角跟踪系统的变刚度舵模拟加载系统能充分模拟NRDLT补偿负载转矩,可以更好地模拟负载转矩在实际飞行。(3)解决方法是相对合理的,可以更好地实现加载到舵通过比较实际的模拟负载转矩和负载转矩。通过优化加载参数使用最优的算法,可以实现良好的跟踪结果,从而大幅度减少额外的扭矩。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版这篇文章。

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