基于蒙特卡洛仿真的伺服舵机功耗评估方法研究

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1、基于蒙特卡洛仿真的伺服舵机功耗评估方法研究郎鹏飞刘刚石庆峰郑宏涛谢泽兵中国运载火箭技术研宄院研宄发展中心摘要：为了解决飞行器设计屮广泛存在的重量功耗指标约束与产品实际性能需求相冲突的问题，以某重复使用运载器伺服系统功耗指标设计作为实例，首先对伺服舵机子系统电气-机构传动模型、负载力矩、工作效率等影响功耗的关键因素进行研究，建立相应的数学模型，并将之纳入飞行器制导控制系统的蒙特卡洛打靶仿真模型，在打靶仿真过程中实时计算并保存与舵机功耗相关的各项数据，作为定量评估伺服舵机整体功耗需求的依据，结果表明通过该方法确定的功耗指标相比传统方法有了较大程度的优化，

2、该方法充分发挥了计算机数学仿真的技术优势，既可有效降低不必耍的设计余量，又通过蒙特卡洛方法避免了设计过于冒进，有利于总体重量、功耗指标闭环，在重量功耗指标约束严苛的飞行器研制中具有广阔的推广应用前景。关键词：伺服驼机;蒙特卡洛;打靶仿真;功耗评估;作者简介：郎鹏飞（1988-）,男，河南新郑人，硕士研究生，工程师，主耍从事控制系统电气综合方向的研究。收稿日期：2017-06-18ResearchonPowerEstimationMethodofServoActuatorBasedonMonteCarloSimulationLangPengfeiLiu

3、GangShiQingfengZhengHongtaoXieZebing□linaAcademyofl^unch/Vehic1eTechno1ogvR&DCenter;Abstract：Tosolvetheproblemthatproduct’sactualperformancerequirementsusuallyconflictwithindexconstraint,Takeareusablelaunchvehicle’sservosystempowerquotadesignasanexample,firstly,thekeyfactorsaff

4、ectingpowerconsumptionarestudied,andthemathematicalmodelisestablishedandincorporatedintocontrolsystem’sMonteCarlosimulation.Throughsimulation,therelevantdataisobtainedandusedtoevaluatethepowerconsumption,whichnotonlyreducesunnecessarydesignmargin,butcanalsoavoidaggressivedesign

5、,andhasawideapplicationprospect.Keyword：servosystem;MonteCarlo;simulation;powerdissipationevaluation;Received：2017-06-180引言伺服舵机系统是大多数航空航天飞行器的核心控制执行机构，也是除发动机外输出功率最大的子系统，通过接收控制系统输出的指令驱动被控对象（如气动舵面等），从而实现对飞行器特定变量的精确控制，其性能很大程度上决定了控制系统的性能。伺服舵机系统按照工作原理可分为电动舵机、液压舵机和电动液压舵机3种，其中电动舵机以其突出的

6、技术优势和经济效益，近二十年来在航空航天领域已口益占据主流。本文给出的功耗评估方法适用于电动伺服驼机系统。对于6行器设计而言，希望伺服系统在极限的重量功耗约束下发挥极限性能，这就要求伺服舵机必须与动力电源进行精细的耦合设计。作为一个高阶、非线性、强耦合、多变量系统，伺服驼机动态数学模型复杂，II与常规电气设备的用电特性存在很大差异，导致对其功耗的精确评估较为困难。本文以某重复使用运载器为例，对其电动伺服系统工作特点和用电方式进行研宄，通过优化功耗指标，为动力电源的设计提供可信的输入，有效避免过设计，有利于总体重量功耗指标闭环，对型号研制进展的推动具有

7、重要意义。1伺服系统功耗特性伺服舵机系统由于自身的工作特点和性能耍求，导致其功耗呈现出如下特性:1）功耗波动范围大。伺服舵机系统功耗随驼面负载变化而变化，当飞行器平稳飞行时舵机负载较小，相应的功耗也较小；当飞行器进行大姿态机动时，则要求伺服舵机在较大负载力矩作用下输出高转速，往往容易出现瞬时的峰值功耗，且峰值功耗与稳态功耗相差很大，要求伺服电源具备高倍率放电能力。2）功耗分布随机性强。飞行器伺服舵机系统峰值功耗出现的时机具有较强的不确定性，这主要体现在两方面:一是各种扰动出现时机不确定，从而使控制系统对伺服系统的控制指令分布不确定，最终导致伺服系统功

8、耗随时间变化曲线具有较强随机性;二是飞行器通常在长吋间飞行后仍可能要求对姿态进行较大调整,即在工作周期的后半