【機械類畢業(yè)論文中英文對照文獻翻譯】雷達天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制

【機械類畢業(yè)論文中英文對照文獻翻譯】雷達天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制,機械類畢業(yè)論文中英文對照文獻翻譯,機械類,畢業(yè)論文,中英文,對照,對比,比照,文獻,翻譯,雷達,天線,伺服系統(tǒng),結(jié)構(gòu),控制,節(jié)制 黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 11 頁 雷達天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制 摘要 雷達天線的性能主要取決于其伺服系統(tǒng)的設計水平。伺服系統(tǒng)的設計包括結(jié)構(gòu)設計和控制設計兩部分，這兩部分是相互影響緊密耦合的。一般所采用的設計方法是對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)先分別設計，然后再根據(jù)要求進行調(diào)校，這往往會導致產(chǎn)品研制的周期長、成本高、性能差、結(jié)構(gòu)笨重，不能保證伺服系統(tǒng)總體的綜合性能最優(yōu)。針對雷達天線伺服系統(tǒng)設計中存在的結(jié)構(gòu)設計與控制設計相分離的問題，提出一種結(jié)構(gòu)與控制集成優(yōu)化設計的模型，給出求解策略與方法，并進而應用于三個典型例子，取得了滿意的結(jié)果。數(shù)值例子和實物試驗都驗證了上述雷達天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制的集成設計模型與方法的有效性和正確性。該模型與方法對其他伺服系統(tǒng)的設計也具有一定的參考和借鑒價值。 1 簡介 機電系統(tǒng)是由機構(gòu)(或結(jié)構(gòu))與控制兩個子系統(tǒng)組成的，兩者的集成設計是十分必要的。結(jié)構(gòu)與控制集成設計的研究自 20 世紀 80 年代開始以來，國內(nèi)外學者進行了卓有成效的研究，主要集中在如下 3 個方面：① 太空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制的集成設計，尤其是柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，選擇結(jié)構(gòu)桿件的橫截面為設計變量，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和控制能量為目標，但不適應于可變結(jié)構(gòu)(或機構(gòu))問題；② 直流電動機的結(jié)構(gòu)與控制的集成設計問題，以直流電動機為例，從狀態(tài)空間模型入手，研究了結(jié)構(gòu)和控制之間的耦合，指出集成設計的必要性，但是對于復雜機構(gòu)來說，其狀態(tài)空間模型并不容易獲得； ③ 機構(gòu)系統(tǒng)中機構(gòu)與控制的集成(或協(xié)同、并行)設計問題，根據(jù)集成的理念來設計機構(gòu)。這些都未曾考慮機構(gòu)的固有頻率、動態(tài)目標跟蹤控制的穩(wěn)定性、準確性及快速性等非線性約束，也未見給出可同時實現(xiàn)機構(gòu)輕量化與跟蹤控制穩(wěn)、準、快的詳細集成設計模型。 2 提出問題 雷達天線的指向精度與快響應等性能取決于其伺服系統(tǒng)的設計水平，而伺服系統(tǒng)的設計包括結(jié)構(gòu)設計與控制設計兩部分。結(jié)構(gòu)設計將影響到控制性能的實現(xiàn)，如伺服控制帶寬的實現(xiàn)依賴于結(jié)構(gòu)固有頻率。反過來，控制又會影響到結(jié)構(gòu)設計，如伺服系統(tǒng)中驅(qū)動力的大小將影響天線座結(jié)構(gòu)的設計。因此，為實現(xiàn)“看得準”與“看得清”的目標要求，結(jié)構(gòu)與控制必須進行集成設計。 遺憾的是，傳統(tǒng)的雷達天線伺服系統(tǒng)設計卻是結(jié)構(gòu)設計和控制設計相分離的，即單獨設計機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，再進行調(diào)校以達到要求的指標。而事實上，雷達天線伺服系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)和控制卻是相互耦合的，尤其在高性能跟蹤中，二者的耦合非常緊密。如果在控制設計時未能充分考慮伺服結(jié)構(gòu)的特性，將導致伺服跟蹤性能降低，甚至無法達到要求的性能指標；另一方面，在結(jié)構(gòu)設計時如未能充分考慮控制作用，就不能得到最優(yōu)設計，甚至無法設計出滿足性能要求的結(jié)構(gòu)。這種分離設計方法導致產(chǎn)品研制的周期長、成本高、性能差、結(jié)構(gòu)笨重。 3 雷達天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)設計的目的旨在設計滿足伺服性能要求的機械結(jié)構(gòu)。為得到優(yōu)良的伺服跟蹤性能，一般要求機械結(jié)構(gòu)質(zhì)量小、剛性好，然而這些要求往往是矛盾的。為此，引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，即對質(zhì)量分布、傳動形式和拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，在保證剛度要求的情況下達到總質(zhì)量或占用空間最小。在機構(gòu)的運動過程中，其構(gòu)型隨著時間不斷變化。為此，可將其提為一個多工況(不妨設為 n1 種工況)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題(圖 1)。 圖1 雷達天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計 求解 式中，d 為雷達伺服結(jié)構(gòu)的設計量， n2 為設計變量總數(shù)。 目標函數(shù)為結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量最小 式中，a、b 分別為簡單結(jié)構(gòu)參數(shù)(如主體尺寸、材料等)和依賴于控制的結(jié)構(gòu)設計要素(如驅(qū)動力等)，n3 為雷達伺服結(jié)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)， Vi 為第 i 個構(gòu)件的體積， ?i 為第 i 個構(gòu)件的材料密度。約束包括第一階固有頻率約束、應力和位移約束 式中， frei 為第 i 個工況下的結(jié)構(gòu)基頻， f re1 為第一階固有頻率的最小容許值； ej 與工況下第 e 個單元應力的實際值與最大容許值；ij與 i 分別為第 j 個工況下第 i 個位移約束的實際值與最大容許值。 同時，還必須滿足第 j 個工況下結(jié)構(gòu)的動力微分方程 式中， m j 、 c j 、 k j 分別為結(jié)構(gòu)在第 j 個工況下對應的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。 求解此非線性規(guī)劃問題，可得設計變量的最優(yōu)取值和與之相對應的依賴于結(jié)構(gòu)的控制設計要素A(包括 m、c、k、frel 等)，作為控制增益優(yōu)化設計的基礎。 4 雷達天線控制系統(tǒng)分系統(tǒng)設計 控制分系統(tǒng)設計的目的是在結(jié)構(gòu)給定的前提下設計滿足性能要求的控制系統(tǒng)。一般情況下，要求系統(tǒng)具有穩(wěn)、快、準的性能，即所設計的控制器應在保證穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)快速、準確地跟蹤目標。為此，可引入控制優(yōu)化設計方法，即對控制器增益p 進行優(yōu)化設計，使系統(tǒng)具有優(yōu)異的伺服跟蹤性能，同時得到依賴于控制的結(jié)構(gòu)設計要素 B(如驅(qū)動力等 )。于是該問題可描述為一個非線性規(guī)劃問題(圖 2)。 圖2 雷達天線伺服系統(tǒng)的最優(yōu)控制增益設計 求解 式中， pi 為第 i 個控制增益變量， n6 為增益設計變量總數(shù)。目標函數(shù)為最小化累積跟蹤誤差 J ， J 反映了對跟蹤性能“快”與“準”的要求 式中，T0 為一個運動周期， e(t) 為跟蹤誤差。 約束包括穩(wěn)定性約束、調(diào)節(jié)時間約束、超調(diào)量約束和力矩約束 式中，polei 為系統(tǒng)的第 i 個極點，n7 為極點總數(shù)，ts為調(diào)節(jié)時間， ò 為超調(diào)量， F (t) 為控制器在時域中的驅(qū)動力或力矩。 5 雷達天線伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制的集成設計 對于高性能的雷達伺服系統(tǒng)，即使分別對結(jié)構(gòu)和控制進行優(yōu)化設計，往往仍然達不到要求的性能指標，因為上述方法不能保證所設計的伺服系統(tǒng)在總體上是最優(yōu)的?？赡艿慕Y(jié)果是依據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的結(jié)果進行控制設計時，難以獲得滿足性能指標的解，或者得到與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計相矛盾的設計要素 B。為此，有必要進行結(jié)構(gòu)與控制的集成優(yōu)化設計，即將結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制優(yōu)化綜合起來。具體講，就是對于給定的結(jié)構(gòu)參數(shù) a 和控制參數(shù) u，通過尋求最優(yōu)的綜合性指標H找到結(jié)構(gòu)設計變量d和控制增益P的最優(yōu)值。從而可將問題描述為非線性規(guī)劃問題（圖3）。 一般設計問題結(jié)合最小化結(jié)構(gòu)方面目標構(gòu)成一個最優(yōu)設計問題。因為控制力(力矩)都是控制增益 p 的函數(shù)，所以一般控制問題也可以描述為一個一般增益問題；一般增益問題結(jié)合最小化控制方面目標構(gòu)成一個最優(yōu)增益問題。而最優(yōu)設計問題和最優(yōu)增益問題之間是相互耦合的，即求解最優(yōu)設計問題可得到依賴于結(jié)構(gòu)的控制設計要素 A(包括 m、c、k、frel 等)，作為最優(yōu)增益問題的基礎；而求解最優(yōu)增益問題可得到依賴于控制的結(jié)構(gòu)設計要素。 6 數(shù)值模擬與試驗 為驗證本文所提方法的可行性和有效性，特將其應用于如下 3 個典型例子，取得了滿意的結(jié)果?？紤]到篇幅所限，第 1 個和第 3 個例子僅為數(shù)值試驗結(jié)果，而第 2 個則同時具有數(shù)值試驗和實物驗證。 例 1：曲柄滑塊機構(gòu)式反射面天線(圖 4)。圖 4所示的曲柄滑塊機構(gòu)，在曲柄 OA 上施加控制力矩M，在連桿 AB 上選取某個位置 á 點安裝天線， áa對應其指向。目的是通過調(diào)整控制力矩和結(jié)構(gòu)設計，使天線跟蹤目標。角度的變化范圍為 10°～80°。 圖 4 曲柄連桿機構(gòu)式反射面天線 曲柄和連桿均為空心圓管，r1、r2 分別為曲柄和連桿的橫截面中徑，δa、δb 分別為壁厚。PID 控制器的比例、積分和微分增益參量分別為 p1、p2、p3。在動力學建模中，視曲柄為剛體，連桿為彈性體，其彈性變形為簡支梁前 ne 階振形的疊加，本例取 ne =3。 集成與分離設計的結(jié)果對比如表 1 所示。圖 5、6 分別為前 0.2 s 的響應和驅(qū)動力矩的對比曲線，因為 0.2 s 以后兩者的差別不大?？梢姡稍O計的結(jié)果要明顯優(yōu)于分離優(yōu)化的結(jié)果，如調(diào)整時間 ts 減少了 13.5%(由 0.074 s 降到 0.064 s)，固有頻率 f re1 提高了 58.12%(由 11.52 Hz 提高到 18.2 Hz)，總質(zhì)量 m下降了 30.57% (由 0.268 9 kg 降到 0.186 7 kg)。 圖5 集成、分離設計的運動仿真對比圖 圖6 集成、分離設計的驅(qū)動力矩對比圖 例 2：某伺服試驗臺系統(tǒng)(圖 7)?？紤]由齒輪減速器構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，設等效到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量分別為 J1、J2 和 J3，相應軸的扭轉(zhuǎn)剛度分別為 k1、k2，阻尼系數(shù)為 b1、b2，3 個軸承處的摩擦因數(shù)為1 、2 和3 。 設負載和電動機已定，受外形幾何參數(shù)限制，電動機軸和負載軸的軸距已定，控制器采用傳統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制。要求設計相應的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括負載軸長度 L、半徑 R、主動軸半徑 r、減速比 i、PID控制增益 p1、p2 和 p3)，使系使系統(tǒng)在滿足所要求的性能指標(單位階躍響應下的超調(diào)量 ò ≤ 2% ，調(diào)節(jié)時間ts ≤ 0.3 s )的前提下具有總體最優(yōu)的性能。 采用相同的初始值 (伺服試驗臺的初始設計 )時，分別進行分離設計和集成設計，并采用序列二次規(guī)劃法進行了求解，結(jié)果如表 2 所示，相應系統(tǒng)的單位階躍響應如圖 8 所示。 圖8 系統(tǒng)的單位階躍響應圖 為說明結(jié)果的正確性，特對初始參數(shù)下的數(shù)值結(jié)果在試驗臺上進行了實物驗證。圖 9 為采用初始設計時，實測的單位階躍響應和仿真結(jié)果的對比。由于未考慮電動機和伺服放大器的動態(tài)特性和制造精度，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定差異(最大誤差小于 5%)。需要指出的是，若要做針對優(yōu)化結(jié)果的試驗，須特別定做齒輪、軸以及相應的結(jié)構(gòu)，不太現(xiàn)實。不過，初始參數(shù)下的試驗說明了模型建立的準確性。 圖9 系統(tǒng)單位階躍響應(初始設計)的仿真與試驗曲線 例 3：某 40 m 天線伺服系統(tǒng)(圖 10)。該 40 m天線座方位回轉(zhuǎn)系統(tǒng)如圖 10 所示。天線反射體通過支撐座安裝在叉臂上。方位伺服電動機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩經(jīng)減速器、傳動軸和齒圈作用在轉(zhuǎn)臺上，從而帶動天線反射體繞方位軸旋轉(zhuǎn)。天線反射體質(zhì)量為65 t，要求其跟蹤精度為 30′′。假定方位回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的減速比、叉臂的結(jié)構(gòu)形式和外部尺寸(包括叉臂截面長 La、寬 wa、內(nèi)腔長 Lb、內(nèi)腔寬 wb)以及轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)形式已定。優(yōu)化設計的目的是通過調(diào)整控制力矩和結(jié)構(gòu)設計，使天線跟蹤性能提高，方位回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的質(zhì)量降低。結(jié)構(gòu)設計變量包括：上、下支臂箱形結(jié)構(gòu)的外圈壁厚 δa，上、下支臂箱形結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈壁厚 δb，轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的壁厚 δc，天線支撐座的壁厚 δd，傳動軸半徑 R；控制設計變量為 PID 增益系數(shù)(p1、p2 和 p3)。 在優(yōu)化中，取 M max = 18 kN m ，ts+ = 2.0 s ，òmax =2% ， f re1 = 5 Hz ，[ó ] = 30 MPa，結(jié)果對比如表 3 所示。表 3 為相應的參數(shù)對比。由表 3 可知：通過集成優(yōu)化設計，調(diào)整時間 ts 減少了 14.3% (由 1.890 s 到1.620 s)，固有頻率 f re1 提高了 22.42% (由 6.870 Hz到 8.407 Hz)，累積跟蹤誤差減少了 16.12%(由 0.003 1到 0.002 6)，總質(zhì)量 m 略增加了 0.42% (由 77.905 t到 78.239 t)。可見，從整體上說，集成設計的結(jié)果優(yōu)于分離設計的結(jié)果。 上述數(shù)值模擬與實物驗證說明，結(jié)構(gòu)與控制分離設計很難甚至無法獲得最優(yōu)的總體性能，集成設計可有效地解決此問題。集成設計尤其適用于伺服系統(tǒng)的方案設計。 7 結(jié)論 (1) 本文提出了雷達天線伺服系統(tǒng)的一種集成設計模型，可同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)量和控制穩(wěn)、準、快的目標，解決了以往兩者分離設計所帶來的顧此失彼、很難甚至不能獲得系統(tǒng)的綜合性能最佳的問題。 (2) 研究了集成設計模型的非線性特點，并據(jù)此給出了求解的策略與方法，數(shù)值模擬結(jié)果，說明了模型與方法的可行性和有效性。但如果機構(gòu)模型更為復雜，設計變量更多時，用本文方法建模求解可能會比較困難。 (3) 為進一步驗證本文所提出的模型、方法及軟件的正確性和有效性，就某實際的伺服試驗臺，進行了實物驗證，結(jié)果良好。為使該試驗臺的結(jié)果更有說服力，應考慮在下面的工作中，進行離散變量的優(yōu)化設計，即在試驗臺所給定參量可變范圍內(nèi)進行，因為這個變化范圍往往僅是有限而離散的選擇。 (4) 本文所提出的模型與方法，對其他伺服系統(tǒng)的設計也具有一定的參考和借鑒價值。 參考資料 [1] TOUMI K Y. Modeling, design and control integration：Anecessary step in mechatronics[J]. IEEE/ASME Trans.Mechatronics, 1996, 1(1)：29-37. [2] ONODA J, HAFTKA R T. An approach to structure/control simultaneous optimization for large flexible spacecraft[J]. AIAA Journal, 1987, 25(8)：1133-1138. [3] RAO S S. Combined structural and control optimizationof flexible structures[J]. Engineering Optimization, 1988,13：1-16. [4] YAMAKAYA H. A unified method for combined struct-ural and control optimization of nonlinear mechanical andstructural systems[J]. Computer Aided Optimum Designof Structures, 1989, 287-298. [5] REYER J A, FATHY H K, PAPALAMBROS P Y.Comparison of combined embodiment design of control optimization strategies using optimality conditions[C]//]ASME Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference,September 9-12, 2001, Pittsburgh, Pennsylvania. New York：ASME, 2001：1-10. [6] REYER J A, PAPALAMBROS P Y. Combined optimaldesign and control with application to an electric DC motor[J]. Journal of Mechanical Design, 2002, 124(6)：183-191. [7] WU F X, ZHANG W J, LI Q, et al. Integrated designand PD control of high-speed closed-loop mechanisms[J].Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control,2002, 124：522-528.