蘇華昌，張鵬飛，孫 穎，夏 鵬

搖擺發(fā)動機伺服系統(tǒng)諧振問題研究

蘇華昌，張鵬飛，孫 穎，夏 鵬

（北京強度環(huán)境研究所，北京，100076）

為了抑制搖擺發(fā)動機伺服系統(tǒng)的諧振問題，開展了搖擺發(fā)動機諧振問題試驗研究。利用頻率特性試驗方法測量了結(jié)構(gòu)關鍵環(huán)節(jié)的響應特性，通過傳遞關系分析定位了主要結(jié)構(gòu)薄弱位置，為結(jié)構(gòu)改進提供了重要依據(jù)。改進后驗證結(jié)果表明，諧振問題得到解決，系統(tǒng)性能提升明顯，達到了控制設計指標要求。本研究可為其它搖擺發(fā)動機設計提供借鑒。

搖擺發(fā)動機；伺服；諧振；穩(wěn)定性

0 引 言

某搖擺發(fā)動機在聯(lián)試過程中，進行暫態(tài)特性擺動時，伺服系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定諧振現(xiàn)象，發(fā)動機產(chǎn)生了特定頻率的等幅振蕩。搖擺發(fā)動機采用框架式結(jié)構(gòu)，包含2臺伺服作動器，外環(huán)作動器安裝在飛行器本體上，轉(zhuǎn)動軸與框架軸相連，內(nèi)環(huán)作動器安裝在搖擺框架上，轉(zhuǎn)動軸與發(fā)動機搖擺軸相連接，發(fā)動機通過軸承連接到框架上，2臺伺服作動器在相互垂直的方向上，其組成基本相同，都由電機、角位移反饋和控制器組成。通過外環(huán)作動器和內(nèi)環(huán)作動器分別帶動框架和發(fā)動機擺動，可以實現(xiàn)發(fā)動機在空間任意方向上的搖擺，從而控制發(fā)動機推力的方向。這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)發(fā)動機和框架擺動所需的轉(zhuǎn)動力矩小，可降低對電機功率要求[1]，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。在發(fā)生諧振問題后，通過伺服仿真分析對控制參數(shù)進行調(diào)整，在降低控制增益后，諧振現(xiàn)象能有所改善，但動態(tài)指標大大降低，無法滿足姿控設計提出的指標要求。為了徹底解決這一問題，需要開展試驗研究，查找出伺服系統(tǒng)諧振的主要影響因素，從而確定后續(xù)改進方案。

圖1 搖擺發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意

1 研究途徑

搖擺發(fā)動機是一種典型的執(zhí)行機構(gòu)，是飛行器姿控系統(tǒng)的重要組成部分，自身帶有反饋和綜合放大器，是一個小回路，其性能直接影響著飛行器姿控穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)[2]。它主要包括伺服與結(jié)構(gòu)兩部分，如果結(jié)構(gòu)設計存在剛度薄弱環(huán)節(jié)，引起的結(jié)構(gòu)彈性響應容易通過反饋引入回路，導致伺服性能變差，當控制參數(shù)選取不當時，還可導致控制系統(tǒng)失穩(wěn)。搖擺發(fā)動機聯(lián)調(diào)出現(xiàn)失穩(wěn)諧振現(xiàn)象，這是系統(tǒng)設計穩(wěn)定性不夠的表現(xiàn)。在分析和設計控制系統(tǒng)時，關鍵是有詳細的被控對象模型，對象模型準確性直接影響控制系統(tǒng)的性能指標。完全用解析方法求數(shù)學模型相當困難，最好的辦法是用試驗來確定系統(tǒng)的數(shù)學模型[3]。

搖擺發(fā)動機小回路見圖2，與其它執(zhí)行機構(gòu)一樣，其前向通道由多個環(huán)節(jié)組成[4]，既包括了電機環(huán)節(jié)，又含有機械和傳動環(huán)節(jié)，需要通過試驗來獲得各環(huán)節(jié)的頻率特性，然后辨識出數(shù)學模型，再進行伺服設計[5]。頻率特性試驗通常要在閉環(huán)設計之前進行，有些性能要求較高的型號，在單機結(jié)構(gòu)設計時就考慮進行相關試驗研究，剔除剛度薄弱環(huán)節(jié)，防止設計反復。在組成系統(tǒng)后，先應進行開環(huán)頻率特性試驗，獲得小系統(tǒng)數(shù)學模型，在此基礎上再進行閉環(huán)設計。設計完成后，再進行閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性試驗，檢驗系統(tǒng)性能。整個設計過程應遵循先單機后整體、先開環(huán)再閉環(huán)的原則。

圖2 搖擺發(fā)動機小回路示意

模型的準確性和完整性是伺服設計的重要依據(jù)，因此，必須通過對搖擺發(fā)動機進行頻率特性試驗，獲得各環(huán)節(jié)的詳細頻率特性，確定各環(huán)節(jié)的傳遞特征，查找出執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計的薄弱環(huán)節(jié)，才能為諧振問題的定位分析提供幫助，這樣對結(jié)構(gòu)改進和控制系統(tǒng)性能改善也具有重要意義。由于搖擺發(fā)動機伺服系統(tǒng)已經(jīng)完成了閉環(huán)系統(tǒng)的初步設計，只能進行閉環(huán)頻率特性測試，通過試驗獲取系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性，來查找結(jié)構(gòu)缺陷，尋求最佳改進途徑。由圖2可知，試驗需要研究指令和干擾2種輸入下的頻率特性。將干擾輸入置0，在指令端輸入信號，可獲取指令輸入下頻率特性；同樣，將指令輸入置0，在干擾端輸入，可獲取干擾下頻率特性。指令輸入直接通過伺服控制信號施加即可，干擾力矩可通過直接對發(fā)動機進行激勵來實現(xiàn)。

2 改進前試驗研究

2.1 關鍵測點布置

為了確定搖擺發(fā)動機重要環(huán)節(jié)的傳遞關系，在關鍵位置布置了測點，測量轉(zhuǎn)角響應，以確定出各環(huán)節(jié)的頻率特性。測點按2個框分別布置，考慮到如果使用角位移傳感器直接測量轉(zhuǎn)角，很多位置難以安裝，故改用角速率陀螺間接測量角速率后以積分的方式來測量轉(zhuǎn)角[9]。外環(huán)作動器試驗時，在銷釘前端、端面齒曲柄前部、常平架與外環(huán)作動器連接處、鼠籠與轉(zhuǎn)軸連接處、鼠籠上端、發(fā)動機噴管尾部等位置布置了傳感器；內(nèi)環(huán)作動器試驗時，在銷釘前端、端面齒曲柄中部、作動器安裝板、鼠籠與轉(zhuǎn)軸連接處、鼠籠上端、發(fā)動機噴管尾部等位置布置傳感器。具體的測點布置如圖3所示。

圖3 測點布置示意

續(xù)圖3

2.2 諧振失穩(wěn)測試

為了觀察搖擺發(fā)動機失穩(wěn)的關鍵響應特征，進行了穩(wěn)定性測試。將伺服系統(tǒng)閉環(huán)，然后拍擊發(fā)動機噴管，模擬外部干擾，檢驗系統(tǒng)穩(wěn)定性，試驗過程中實時記錄結(jié)構(gòu)響應。沿內(nèi)環(huán)作動器進行拍擊時，伺服系統(tǒng)出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象，實際測量獲得的作動器反饋角位移和發(fā)動機轉(zhuǎn)角響應曲線如圖4所示。由圖4可以看出，在外干擾下，伺服閉環(huán)系統(tǒng)以一定概率失穩(wěn)。內(nèi)環(huán)拍擊時，外環(huán)作動器先抖動，隨后內(nèi)環(huán)作動器進行抖動，由于沿內(nèi)環(huán)作動器方向進行拍擊，即施加繞外環(huán)軸干擾，外環(huán)作動器起始抖動幅值比內(nèi)環(huán)作動器大，但隨后緩慢收斂，而內(nèi)環(huán)作動器迅速發(fā)散，發(fā)散后以0.3°左右固定幅值進行抖動，發(fā)動機抖動角度約1.3°，因結(jié)構(gòu)彈性影響，在傳遞過程中被放大。

圖4 系統(tǒng)失穩(wěn)諧振響應曲線

2.3 指令輸入下頻率特性試驗

在指令端施加正弦掃描信號進行頻率特性試驗。掃描時同步測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的響應，以作動器的角位移反饋信號為輸入，以測量的關鍵環(huán)節(jié)響應為輸出，進行頻率特性計算，以獲得結(jié)構(gòu)負載的彈性特征。實測相對角位移反饋輸出的頻率特性試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 相對角位移的頻率特性

實測特性結(jié)果表明，外環(huán)作動器試驗時結(jié)構(gòu)響應的諧振頻率約14 Hz，最終放大7倍，通過諧振峰后幅值迅速衰減，具有較強的非線性。在諧振頻率處，銷釘前端和端面齒曲柄前部基本相同，放大約3倍，過了端面齒和外環(huán)作動器轉(zhuǎn)軸后，在常平架與外環(huán)作動器連接處達到5.5倍，再經(jīng)過內(nèi)環(huán)作動器轉(zhuǎn)軸后，鼠籠與發(fā)動機響應基本相同，均在7倍左右。內(nèi)環(huán)作動器的諧振頻率約17 Hz，放大約8倍，同樣諧振后迅速衰減。內(nèi)環(huán)作動器轉(zhuǎn)動時，作動器安裝板響應很小，在諧振處，銷釘前端和端面齒曲柄中部基本相同，放大約3倍，過了端面齒和內(nèi)環(huán)作動器轉(zhuǎn)軸后，鼠籠與發(fā)動機響應基本相同，均在8倍左右。

由各環(huán)節(jié)特性分析可知，外環(huán)的結(jié)構(gòu)諧振頻率約14 Hz，內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)諧振頻率約17 Hz，雖然2個伺服相同，但搖擺發(fā)動機的外環(huán)慣量比內(nèi)環(huán)大，而結(jié)構(gòu)頻率與慣量開方成反比，所以外環(huán)頻率更低。結(jié)構(gòu)諧振頻率相對較低而且結(jié)構(gòu)阻尼較小，容易與伺服耦合，從而約束了伺服動態(tài)性能。只有提高結(jié)構(gòu)的諧振頻率，才有可能提升伺服的動態(tài)指標。搖擺發(fā)動機的慣量主要取決于框架和噴管，這兩部分結(jié)構(gòu)難以修改，只能考慮修改結(jié)構(gòu)薄弱傳動環(huán)節(jié)，通過增加剛度來提高結(jié)構(gòu)頻率。2個方向的結(jié)構(gòu)主要放大環(huán)節(jié)都是銷釘前端和端面齒與轉(zhuǎn)軸連接處，其次的放大環(huán)節(jié)在鼠籠與轉(zhuǎn)軸連接位置，如果修改這2個主要影響環(huán)節(jié)，提高其剛度，應該可以提高結(jié)構(gòu)的固有頻率。

2.4 干擾力矩下頻率特性試驗

將指令輸入置0，在發(fā)動機尾部安裝激振器施加激勵，來模擬干擾力矩。在激振器激勵時，同步測量激振力和各結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)的響應，計算出在干擾力矩下的頻率特性。干擾力矩狀態(tài)下的測點與指令輸入試驗基本一致。干擾激勵下的頻率特性結(jié)果如圖6所示。

圖6 干擾力矩頻率特性

施加干擾力矩，繞外環(huán)作動器的諧振頻率約為 12 Hz，作動器的角位移反饋幅值為0.055（°）/（N·m），通過各環(huán)節(jié)放大后導致發(fā)動機響應幅值進一步放大，發(fā)動機的諧振幅值達到0.33（°）/（N·m）。繞內(nèi)環(huán)作動器的諧振頻率約11 Hz，作動器角位移的反饋幅值為 0.06（°）/（N·m），傳遞放大后發(fā)動機的諧振幅值為 0.24（°）/（N·m）。

應用型本科建設最早是在2014年教育部提出，要將全國1 000多所本科院校中的一半向應用型大學轉(zhuǎn)變。應用型本科教育強調(diào)培養(yǎng)學生的實踐能力和操作技能，它的提出使得高等院校的本科教育不再只關注理論教學和科研，轉(zhuǎn)而更加重視應用型人才的培養(yǎng)。為貫徹落實教育部提出應用型本科教育的轉(zhuǎn)型發(fā)展，武漢商學院在2015年申報并獲批成立國際商務專業(yè)。該專業(yè)的目標是培養(yǎng)學生具備較強的社會適應能力、國際商務交際能力、商務素養(yǎng)、商業(yè)技能和處理商業(yè)實務的能力。本研究選擇國際商務專業(yè)為研究對象，探索國際商務專業(yè)在校企合作背景下培育高素質(zhì)技能型人才的模式。

從施加干擾力矩結(jié)果可知，搖擺發(fā)動機相對干擾的諧振頻率很低，反饋對干擾的諧振幅值較大，傳到發(fā)動機后進一步放大，系統(tǒng)抗干擾能力較差。

3 改進后試驗驗證

在確定結(jié)構(gòu)的主要薄弱位置后，對結(jié)構(gòu)進行了修改，主要考慮修改主薄弱位置，即作動器的銷釘前端（即擺桿）和端面齒（帶轉(zhuǎn)軸）環(huán)節(jié)，通過增加結(jié)構(gòu)的厚度與寬度來提高彎曲剛度。次薄弱位置在發(fā)動機位置，涉及框架與轉(zhuǎn)軸部分，由于修改這一環(huán)節(jié)影響大且周期較長，綜合考慮當前伺服設計指標，主薄弱環(huán)節(jié)的修改應可以達到要求，故沒有修改次薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)修改完成后，對改進后的產(chǎn)品按同樣方式進行了指令輸入和干擾力矩輸入下的頻率特性試驗測試，指令輸入頻率特性試驗結(jié)果如圖7所示，干擾力矩輸入頻率特性試驗結(jié)果如圖8所示。

圖7 相對角位移的頻率特性（結(jié)構(gòu)改進后）

圖8 結(jié)構(gòu)改進后干擾力矩頻率特性

3.1 指令輸入試驗結(jié)果

改進后伺服系統(tǒng)外環(huán)作動器的諧振頻率大于 19 Hz，放大了約7倍，內(nèi)環(huán)作動器的諧振頻率約大于21 Hz，放大約4倍，改進后諧振頻率明顯提高，諧振幅值也有所降低。測量頻率特性曲線在超過諧振峰值后變差，從典型時域曲線（圖9）可以看出，此時角位移反饋測量精度迅速降低，造成諧振后的頻率特性產(chǎn)生較大偏差，但不影響定性判斷，修改后的結(jié)構(gòu)固有頻率改善明顯。從結(jié)果可知，改進后指令輸入下的諧振頻率提高，外作動器試驗的諧振頻率大于19 Hz，內(nèi)環(huán)作動器試驗的諧振頻率大于21 Hz，改進取得了較好的效果。

圖9 高頻段時域曲線

3.2 干擾力矩試驗結(jié)果

改進后施加干擾力矩，繞外環(huán)作動器的諧振頻率約22 Hz，是改進前的1.8倍，作動器角位移反饋降低為0.003（°）/（N·m），比改進前小18倍，發(fā)動機的諧振幅值為0.045（°）/（N·m），比改進前小7倍。繞內(nèi)環(huán)作動器的諧振頻率約26 Hz，是改進前2.4倍，作動器角位移反饋降為0.007（°）/（N·m），比改進前小8倍，發(fā)動機的諧振幅值為0.021（°）/（N·m），比改進前小11倍。由此可知，結(jié)構(gòu)改進后，干擾下的諧振頻率增加明顯，諧振幅值大大降低，干擾對反饋影響基本可以忽略，系統(tǒng)抗干擾能力大幅增強。

3.3 穩(wěn)定性檢驗

改進后，搖擺發(fā)動機伺服系統(tǒng)進行了閉環(huán)穩(wěn)定性檢驗，包括進行各種暫態(tài)和外干擾條件測試，系統(tǒng)運行正常，無明顯諧振現(xiàn)象。在后續(xù)的正式聯(lián)試試驗中，搖擺發(fā)動機伺服系統(tǒng)工作良好，未出現(xiàn)改進前的不穩(wěn)定諧振現(xiàn)象。

從指令輸入和干擾力矩試驗結(jié)果表明，通過確定薄弱位置改進后，結(jié)構(gòu)剛度增加顯著，改進效果良好，伺服動態(tài)性能提升明顯，并大幅提高了系統(tǒng)抗干擾能力，為控制穩(wěn)定性設計提供了較好的基礎，達到了研究目的。改進后系統(tǒng)也通過了實際的工作測試，性能良好。

4 結(jié) 論

通過此次搖擺發(fā)動機諧振問題研究，建立了搖擺發(fā)動機全回路特性試驗方法，增加了試驗測試覆蓋性，形成了相關問題試驗分析途徑，掌握了搖擺發(fā)動機伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計中的弱剛度查找辦法，為如何提高執(zhí)行機構(gòu)性能，保證姿控系統(tǒng)設計指標，提供了很好的借鑒。

a）通過對改進前試驗研究，發(fā)現(xiàn)指令輸入下的諧振頻率較低，幅值放大明顯。干擾力矩下的結(jié)構(gòu)響應幅值較大，表明系統(tǒng)抗干擾能力低。由于搖擺發(fā)動機伺服系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，彈性頻率低且阻尼較小，導致系統(tǒng)容易出現(xiàn)失穩(wěn)諧振。

b）通過各級傳遞特性分析，找到了結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。擺桿和端面齒是主薄弱環(huán)節(jié)，次薄弱環(huán)節(jié)在鼠籠與轉(zhuǎn)軸連接處。通過改進薄弱環(huán)節(jié)，增加剛度，可以提高結(jié)構(gòu)的固有頻率，避開伺服控制頻帶，從而提升伺服系統(tǒng)性能。

c）結(jié)構(gòu)改進后檢驗，指令輸入下的諧振頻率提高明顯，改進效果較好，為伺服設計提供了較好的基礎。干擾力矩下的諧振幅值大幅降低，系統(tǒng)抗動態(tài)干擾精度大大增加。

d）通過對試驗查找結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)改進后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度顯著增加，彈性頻率升高，避開了伺服耦合問題。后續(xù)伺服設計結(jié)果表明，伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能改善明顯，并且大幅提高了系統(tǒng)抗干擾能力，改進效果良好。

姿控進行全飛行器控制回路設計時，要根據(jù)設計指標考慮結(jié)構(gòu)彈性效應，增加設計模型的真實性?？梢詤⒖棘F(xiàn)有技術，對其它搖擺發(fā)動機執(zhí)行機構(gòu)進行試驗研究，查找薄弱環(huán)節(jié)和潛在隱患，提升執(zhí)行機構(gòu)的安全性和性能，為飛行器姿控設計提供有力保障。

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Research on Resonance of Swing Engine Servo System

Su Hua-chang, Zhang Peng-fei, Sun Ying, Xia Peng

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076)

Servo system resonance occurred during a swing engine test. The stability of the swing engine is related to the servo and structural elastic coupling. Structural elasticity is a key factor affecting stability. In order to solve this problem, a swing engine resonance test study is carried out. The response characteristics of the key parts of the structure are obtained by the frequency characteristic test. The weak position of the structure is determined through the analysis of transfer relations, which provides important basis for the design improvement. The test results of the modified structure show that the resonance problem is solved. The performance of the swing engine is improved obviously, which meets the requirement of control design. This study has achieved good results and can provide reference for other swing engine design.

swing engine; servo; resonance; stability

V448.25+2

A

1004-7182(2020)02-0117-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20200222

蘇華昌（1979-），男，研究員，主要研究方向為結(jié)構(gòu)動力學與控制耦合。

張鵬飛（1986-），男，高級工程師，主要研究方向為多維振動試驗技術。

孫 穎（1986-），男，工程師，主要研究方向為結(jié)構(gòu)動力學與控制耦合。

夏 鵬（1991-），男，工程師，主要研究方向為多維振動試驗技術。

2018-10-25；

2019-02-15