搖擺發動機伺服系統諧振問題研究

蘇華昌，張鵬飛，孫 穎，夏 鵬

搖擺發動機伺服系統諧振問題研究

蘇華昌，張鵬飛，孫 穎，夏 鵬

（北京強度環境研究所，北京，100076）

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

搖擺發動機；伺服；諧振；穩定性

0 引 言

某搖擺發動機在聯試過程中，進行暫態特性擺動時，伺服系統出現不穩定諧振現象，發動機產生了特定頻率的等幅振蕩。搖擺發動機采用框架式結構，包含2臺伺服作動器，外環作動器安裝在飛行器本體上，轉動軸與框架軸相連，內環作動器安裝在搖擺框架上，轉動軸與發動機搖擺軸相連接，發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。通過外環作動器和內環作動器分別帶動框架和發動機擺動，可以實現發動機在空間任意方向上的搖擺，從而控制發動機推力的方向。這種結構實現發動機和框架擺動所需的轉動力矩小，可降低對電機功率要求[1]，其結構形式如圖1所示。在發生諧振問題后，通過伺服仿真分析對控制參數進行調整，在降低控制增益后，諧振現象能有所改善，但動態指標大大降低，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，查找出伺服系統諧振的主要影響因素，從而確定后續改進方案。

圖1 搖擺發動機結構示意

1 研究途徑

搖擺發動機是一種典型的執行機構，是飛行器姿控系統的重要組成部分，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定性和動態品質[2]。它主要包括伺服與結構兩部分，如果結構設計存在剛度薄弱環節，引起的結構彈性響應容易通過反饋引入回路，導致伺服性能變差，當控制參數選取不當時，還可導致控制系統失穩。搖擺發動機聯調出現失穩諧振現象，這是系統設計穩定性不夠的表現。在分析和設計控制系統時，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的性能指標。完全用解析方法求數學模型相當困難，最好的辦法是用試驗來確定系統的數學模型[3]。

搖擺發動機小回路見圖2，與其它執行機構一樣，其前向通道由多個環節組成[4]，既包括了電機環節，又含有機械和傳動環節，需要通過試驗來獲得各環節的頻率特性，然后辨識出數學模型，再進行伺服設計[5]。頻率特性試驗通常要在閉環設計之前進行，有些性能要求較高的型號，在單機結構設計時就考慮進行相關試驗研究，剔除剛度薄弱環節，防止設計反復。在組成系統后，先應進行開環頻率特性試驗，獲得小系統數學模型，在此基礎上再進行閉環設計。設計完成后，再進行閉環系統頻率特性試驗，檢驗系統性能。整個設計過程應遵循先單機后整體、先開環再閉環的原則。

圖2 搖擺發動機小回路示意

模型的準確性和完整性是伺服設計的重要依據，因此，必須通過對搖擺發動機進行頻率特性試驗，獲得各環節的詳細頻率特性，確定各環節的傳遞特征，查找出執行機構結構設計的薄弱環節，才能為諧振問題的定位分析提供幫助，這樣對結構改進和控制系統性能改善也具有重要意義。由于搖擺發動機伺服系統已經完成了閉環系統的初步設計，只能進行閉環頻率特性測試，通過試驗獲取系統各環節的特性，來查找結構缺陷，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動機進行激勵來實現。

2 改進前試驗研究

2.1 關鍵測點布置

為了確定搖擺發動機重要環節的傳遞關系，在關鍵位置布置了測點，測量轉角響應，以確定出各環節的頻率特性。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角[9]。外環作動器試驗時，在銷釘前端、端面齒曲柄前部、常平架與外環作動器連接處、鼠籠與轉軸連接處、鼠籠上端、發動機噴管尾部等位置布置了傳感器；內環作動器試驗時，在銷釘前端、端面齒曲柄中部、作動器安裝板、鼠籠與轉軸連接處、鼠籠上端、發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

續圖3

2.2 諧振失穩測試

為了觀察搖擺發動機失穩的關鍵響應特征，進行了穩定性測試。將伺服系統閉環，然后拍擊發動機噴管，模擬外部干擾，檢驗系統穩定性，試驗過程中實時記錄結構響應。沿內環作動器進行拍擊時，伺服系統出現了失穩現象，實際測量獲得的作動器反饋角位移和發動機轉角響應曲線如圖4所示。由圖4可以看出，在外干擾下，伺服閉環系統以一定概率失穩。內環拍擊時，外環作動器先抖動，隨后內環作動器進行抖動，由于沿內環作動器方向進行拍擊，即施加繞外環軸干擾，外環作動器起始抖動幅值比內環作動器大，但隨后緩慢收斂，而內環作動器迅速發散，發散后以0.3°左右固定幅值進行抖動，發動機抖動角度約1.3°，因結構彈性影響，在傳遞過程中被放大。

圖4 系統失穩諧振響應曲線

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各環節的響應，以作動器的角位移反饋信號為輸入，以測量的關鍵環節響應為輸出，進行頻率特性計算，以獲得結構負載的彈性特征。實測相對角位移反饋輸出的頻率特性試驗結果如圖5所示。

圖5 相對角位移的頻率特性

實測特性結果表明，外環作動器試驗時結構響應的諧振頻率約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，過了端面齒和外環作動器轉軸后，在常平架與外環作動器連接處達到5.5倍，再經過內環作動器轉軸后，鼠籠與發動機響應基本相同，均在7倍左右。內環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。內環作動器轉動時，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，過了端面齒和內環作動器轉軸后，鼠籠與發動機響應基本相同，均在8倍左右。

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

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構環節的響應，計算出在干擾力矩下的頻率特性。干擾力矩狀態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），通過各環節放大后導致發動機響應幅值進一步放大，發動機的諧振幅值達到0.33（°）/（N·m）。繞內環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變。應用型本科教育強調培養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，轉而更加重視應用型人才的培養。為貫徹落實教育部提出應用型本科教育的轉型發展，武漢商學院在2015年申報并獲批成立國際商務專業。該專業的目標是培養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、商業技能和處理商業實務的能力。本研究選擇國際商務專業為研究對象，探索國際商務專業在校企合作背景下培育高素質技能型人才的模式。

從施加干擾力矩結果可知，搖擺發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，傳到發動機后進一步放大，系統抗干擾能力較差。

3 改進后試驗驗證

在確定結構的主要薄弱位置后，對結構進行了修改，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（帶轉軸）環節，通過增加結構的厚度與寬度來提高彎曲剛度。次薄弱位置在發動機位置，涉及框架與轉軸部分，由于修改這一環節影響大且周期較長，綜合考慮當前伺服設計指標，主薄弱環節的修改應可以達到要求，故沒有修改次薄弱環節。結構修改完成后，對改進后的產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果如圖7所示，干擾力矩輸入頻率特性試驗結果如圖8所示。

圖7 相對角位移的頻率特性（結構改進后）

圖8 結構改進后干擾力矩頻率特性

3.1 指令輸入試驗結果

改進后伺服系統外環作動器的諧振頻率大于 19 Hz，放大了約7倍，內環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生較大偏差，但不影響定性判斷，修改后的結構固有頻率改善明顯。從結果可知，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，內環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 干擾力矩試驗結果

改進后施加干擾力矩，繞外環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，發動機的諧振幅值為0.045（°）/（N·m），比改進前小7倍。繞內環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，發動機的諧振幅值為0.021（°）/（N·m），比改進前小11倍。由此可知，結構改進后，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，系統抗干擾能力大幅增強。

3.3 穩定性檢驗

改進后，搖擺發動機伺服系統進行了閉環穩定性檢驗，包括進行各種暫態和外干擾條件測試，系統運行正常，無明顯諧振現象。在后續的正式聯試試驗中，搖擺發動機伺服系統工作良好，未出現改進前的不穩定諧振現象。

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

4 結 論

通過此次搖擺發動機諧振問題研究，建立了搖擺發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，掌握了搖擺發動機伺服系統結構設計中的弱剛度查找辦法，為如何提高執行機構性能，保證姿控系統設計指標，提供了很好的借鑒。

a）通過對改進前試驗研究，發現指令輸入下的諧振頻率較低，幅值放大明顯。干擾力矩下的結構響應幅值較大，表明系統抗干擾能力低。由于搖擺發動機伺服系統存在結構薄弱環節，彈性頻率低且阻尼較小，導致系統容易出現失穩諧振。

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

c）結構改進后檢驗，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，系統抗動態干擾精度大大增加。

d）通過對試驗查找結構薄弱環節改進后，系統結構剛度顯著增加，彈性頻率升高，避開了伺服耦合問題。后續伺服設計結果表明，伺服系統的動態性能改善明顯，并且大幅提高了系統抗干擾能力，改進效果良好。

姿控進行全飛行器控制回路設計時，要根據設計指標考慮結構彈性效應，增加設計模型的真實性。可以參考現有技術，對其它搖擺發動機執行機構進行試驗研究，查找薄弱環節和潛在隱患，提升執行機構的安全性和性能，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，主要研究方向為結構動力學與控制耦合。

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，主要研究方向為結構動力學與控制耦合。

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