【機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對(duì)照文獻(xiàn)翻譯】雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制

【機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對(duì)照文獻(xiàn)翻譯】雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制,機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對(duì)照文獻(xiàn)翻譯,機(jī)械類,畢業(yè)論文,中英文,對(duì)照,對(duì)比,比照,文獻(xiàn),翻譯,雷達(dá),天線,伺服系統(tǒng),結(jié)構(gòu),控制,節(jié)制 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)翻譯） 第 11 頁 雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制 摘要 雷達(dá)天線的性能主要取決于其伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)兩部分，這兩部分是相互影響緊密耦合的。一般所采用的設(shè)計(jì)方法是對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)先分別設(shè)計(jì)，然后再根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)校，這往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品研制的周期長(zhǎng)、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(duì)雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)相分離的問題，提出一種結(jié)構(gòu)與控制集成優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型，給出求解策略與方法，并進(jìn)而應(yīng)用于三個(gè)典型例子，取得了滿意的結(jié)果。數(shù)值例子和實(shí)物試驗(yàn)都驗(yàn)證了上述雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制的集成設(shè)計(jì)模型與方法的有效性和正確性。該模型與方法對(duì)其他伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也具有一定的參考和借鑒價(jià)值。 1 簡(jiǎn)介 機(jī)電系統(tǒng)是由機(jī)構(gòu)(或結(jié)構(gòu))與控制兩個(gè)子系統(tǒng)組成的，兩者的集成設(shè)計(jì)是十分必要的。結(jié)構(gòu)與控制集成設(shè)計(jì)的研究自 20 世紀(jì) 80 年代開始以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的研究，主要集中在如下 3 個(gè)方面：① 太空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制的集成設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)變量，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和控制能量為目標(biāo)，但不適應(yīng)于可變結(jié)構(gòu)(或機(jī)構(gòu))問題；② 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與控制的集成設(shè)計(jì)問題，以直流電動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)的必要性，但是對(duì)于復(fù)雜機(jī)構(gòu)來說，其狀態(tài)空間模型并不容易獲得； ③ 機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中機(jī)構(gòu)與控制的集成(或協(xié)同、并行)設(shè)計(jì)問題，根據(jù)集成的理念來設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)。這些都未曾考慮機(jī)構(gòu)的固有頻率、動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤控制的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性及快速性等非線性約束，也未見給出可同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)輕量化與跟蹤控制穩(wěn)、準(zhǔn)、快的詳細(xì)集成設(shè)計(jì)模型。 2 提出問題 雷達(dá)天線的指向精度與快響應(yīng)等性能取決于其伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，而伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)兩部分。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將影響到控制性能的實(shí)現(xiàn)，如伺服控制帶寬的實(shí)現(xiàn)依賴于結(jié)構(gòu)固有頻率。反過來，控制又會(huì)影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如伺服系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)力的大小將影響天線座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。因此，為實(shí)現(xiàn)“看得準(zhǔn)”與“看得清”的目標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)與控制必須進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。 遺憾的是，傳統(tǒng)的雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)卻是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)相分離的，即單獨(dú)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，再進(jìn)行調(diào)校以達(dá)到要求的指標(biāo)。而事實(shí)上，雷達(dá)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(shè)計(jì)時(shí)未能充分考慮伺服結(jié)構(gòu)的特性，將導(dǎo)致伺服跟蹤性能降低，甚至無法達(dá)到要求的性能指標(biāo)；另一方面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)如未能充分考慮控制作用，就不能得到最優(yōu)設(shè)計(jì)，甚至無法設(shè)計(jì)出滿足性能要求的結(jié)構(gòu)。這種分離設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致產(chǎn)品研制的周期長(zhǎng)、成本高、性能差、結(jié)構(gòu)笨重。 3 雷達(dá)天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的旨在設(shè)計(jì)滿足伺服性能要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)。為得到優(yōu)良的伺服跟蹤性能，一般要求機(jī)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(duì)質(zhì)量分布、傳動(dòng)形式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證剛度要求的情況下達(dá)到總質(zhì)量或占用空間最小。在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程中，其構(gòu)型隨著時(shí)間不斷變化。為此，可將其提為一個(gè)多工況(不妨設(shè)為 n1 種工況)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題(圖 1)。 圖1 雷達(dá)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 求解 式中，d 為雷達(dá)伺服結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)量， n2 為設(shè)計(jì)變量總數(shù)。 目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量最小 式中，a、b 分別為簡(jiǎn)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(shè)計(jì)要素(如驅(qū)動(dòng)力等)，n3 為雷達(dá)伺服結(jié)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)， Vi 為第 i 個(gè)構(gòu)件的體積， ?i 為第 i 個(gè)構(gòu)件的材料密度。約束包括第一階固有頻率約束、應(yīng)力和位移約束 式中， frei 為第 i 個(gè)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(gè)單元應(yīng)力的實(shí)際值與最大容許值；ij與 i 分別為第 j 個(gè)工況下第 i 個(gè)位移約束的實(shí)際值與最大容許值。 同時(shí)，還必須滿足第 j 個(gè)工況下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力微分方程 式中， m j 、 c j 、 k j 分別為結(jié)構(gòu)在第 j 個(gè)工況下對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)變量的最優(yōu)取值和與之相對(duì)應(yīng)的依賴于結(jié)構(gòu)的控制設(shè)計(jì)要素A(包括 m、c、k、frel 等)，作為控制增益優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 4 雷達(dá)天線控制系統(tǒng)分系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是在結(jié)構(gòu)給定的前提下設(shè)計(jì)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(zhǔn)的性能，即所設(shè)計(jì)的控制器應(yīng)在保證穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)。為此，可引入控制優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，即對(duì)控制器增益p 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有優(yōu)異的伺服跟蹤性能，同時(shí)得到依賴于控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素 B(如驅(qū)動(dòng)力等 )。于是該問題可描述為一個(gè)非線性規(guī)劃問題(圖 2)。 圖2 雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)的最優(yōu)控制增益設(shè)計(jì) 求解 式中， pi 為第 i 個(gè)控制增益變量， n6 為增益設(shè)計(jì)變量總數(shù)。目標(biāo)函數(shù)為最小化累積跟蹤誤差 J ， J 反映了對(duì)跟蹤性能“快”與“準(zhǔn)”的要求 式中，T0 為一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期， e(t) 為跟蹤誤差。 約束包括穩(wěn)定性約束、調(diào)節(jié)時(shí)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(gè)極點(diǎn)，n7 為極點(diǎn)總數(shù)，ts為調(diào)節(jié)時(shí)間， ò 為超調(diào)量， F (t) 為控制器在時(shí)域中的驅(qū)動(dòng)力或力矩。 5 雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制的集成設(shè)計(jì) 對(duì)于高性能的雷達(dá)伺服系統(tǒng)，即使分別對(duì)結(jié)構(gòu)和控制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，往往仍然達(dá)不到要求的性能指標(biāo)，因?yàn)樯鲜龇椒ú荒鼙ＷC所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行控制設(shè)計(jì)時(shí)，難以獲得滿足性能指標(biāo)的解，或者得到與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)相矛盾的設(shè)計(jì)要素 B。為此，有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)與控制的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(duì)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(biāo)H找到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)問題結(jié)合最小化結(jié)構(gòu)方面目標(biāo)構(gòu)成一個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)問題。因?yàn)榭刂屏?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(gè)一般增益問題；一般增益問題結(jié)合最小化控制方面目標(biāo)構(gòu)成一個(gè)最優(yōu)增益問題。而最優(yōu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)問題可得到依賴于結(jié)構(gòu)的控制設(shè)計(jì)要素 A(包括 m、c、k、frel 等)，作為最優(yōu)增益問題的基礎(chǔ)；而求解最優(yōu)增益問題可得到依賴于控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素。 6 數(shù)值模擬與試驗(yàn) 為驗(yàn)證本文所提方法的可行性和有效性，特將其應(yīng)用于如下 3 個(gè)典型例子，取得了滿意的結(jié)果?？紤]到篇幅所限，第 1 個(gè)和第 3 個(gè)例子僅為數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果，而第 2 個(gè)則同時(shí)具有數(shù)值試驗(yàn)和實(shí)物驗(yàn)證。 例 1：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)式反射面天線(圖 4)。圖 4所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在曲柄 OA 上施加控制力矩M，在連桿 AB 上選取某個(gè)位置 á 點(diǎn)安裝天線， áa對(duì)應(yīng)其指向。目的是通過調(diào)整控制力矩和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使天線跟蹤目標(biāo)。角度的變化范圍為 10°～80°。 圖 4 曲柄連桿機(jī)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(dòng)力學(xué)建模中，視曲柄為剛體，連桿為彈性體，其彈性變形為簡(jiǎn)支梁前 ne 階振形的疊加，本例取 ne =3。 集成與分離設(shè)計(jì)的結(jié)果對(duì)比如表 1 所示。圖 5、6 分別為前 0.2 s 的響應(yīng)和驅(qū)動(dòng)力矩的對(duì)比曲線，因?yàn)?0.2 s 以后兩者的差別不大。可見，集成設(shè)計(jì)的結(jié)果要明顯優(yōu)于分離優(yōu)化的結(jié)果，如調(diào)整時(shí)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(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)比圖 圖6 集成、分離設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)比圖 例 2：某伺服試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)(圖 7)?？紤]由齒輪減速器構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，設(shè)等效到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為 J1、J2 和 J3，相應(yīng)軸的扭轉(zhuǎn)剛度分別為 k1、k2，阻尼系數(shù)為 b1、b2，3 個(gè)軸承處的摩擦因數(shù)為1 、2 和3 。 設(shè)負(fù)載和電動(dòng)機(jī)已定，受外形幾何參數(shù)限制，電動(dòng)機(jī)軸和負(fù)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(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括負(fù)載軸長(zhǎng)度 L、半徑 R、主動(dòng)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(biāo)(單位階躍響應(yīng)下的超調(diào)量 ò ≤ 2% ，調(diào)節(jié)時(shí)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(yàn)臺(tái)的初始設(shè)計(jì) )時(shí)，分別進(jìn)行分離設(shè)計(jì)和集成設(shè)計(jì)，并采用序列二次規(guī)劃法進(jìn)行了求解，結(jié)果如表 2 所示，相應(yīng)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如圖 8 所示。 圖8 系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖 為說明結(jié)果的正確性，特對(duì)初始參數(shù)下的數(shù)值結(jié)果在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證。圖 9 為采用初始設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)測(cè)的單位階躍響應(yīng)和仿真結(jié)果的對(duì)比。由于未考慮電動(dòng)機(jī)和伺服放大器的動(dòng)態(tài)特性和制造精度，試驗(yàn)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(duì)優(yōu)化結(jié)果的試驗(yàn)，須特別定做齒輪、軸以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，不太現(xiàn)實(shí)。不過，初始參數(shù)下的試驗(yàn)說明了模型建立的準(zhǔn)確性。 圖9 系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)(初始設(shè)計(jì))的仿真與試驗(yàn)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)減速器、傳動(dòng)軸和齒圈作用在轉(zhuǎn)臺(tái)上，從而帶動(dòng)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(zhǎng) La、寬 wa、內(nèi)腔長(zhǎng) Lb、內(nèi)腔寬 wb)以及轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式已定。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是通過調(diào)整控制力矩和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)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(tái)結(jié)構(gòu)的壁厚 δc，天線支撐座的壁厚 δd，傳動(dòng)軸半徑 R；控制設(shè)計(jì)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(duì)比如表 3 所示。表 3 為相應(yīng)的參數(shù)對(duì)比。由表 3 可知：通過集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整時(shí)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(shè)計(jì)的結(jié)果優(yōu)于分離設(shè)計(jì)的結(jié)果。 上述數(shù)值模擬與實(shí)物驗(yàn)證說明，結(jié)構(gòu)與控制分離設(shè)計(jì)很難甚至無法獲得最優(yōu)的總體性能，集成設(shè)計(jì)可有效地解決此問題。集成設(shè)計(jì)尤其適用于伺服系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。 7 結(jié)論 (1) 本文提出了雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)的一種集成設(shè)計(jì)模型，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)量和控制穩(wěn)、準(zhǔn)、快的目標(biāo)，解決了以往兩者分離設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)模型的非線性特點(diǎn)，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(jī)構(gòu)模型更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)變量更多時(shí)，用本文方法建模求解可能會(huì)比較困難。 (3) 為進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)際的伺服試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證，結(jié)果良好。為使該試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)果更有說服力，應(yīng)考慮在下面的工作中，進(jìn)行離散變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即在試驗(yàn)臺(tái)所給定參量可變范圍內(nèi)進(jìn)行，因?yàn)檫@個(gè)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(duì)其他伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也具有一定的參考和借鑒價(jià)值。 參考資料 [1] TOUMI K Y. 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