摇摆发动机伺服系统谐振问题研究

苏华昌，张鹏飞，孙 颖，夏 鹏

摇摆发动机伺服系统谐振问题研究

苏华昌，张鹏飞，孙 颖，夏 鹏

（北京强度环境研究所，北京，100076）

为了抑制摇摆发动机伺服系统的谐振问题，开展了摇摆发动机谐振问题试验研究。利用频率特性试验方法测量了结构关键环节的响应特性，通过传递关系分析定位了主要结构薄弱位置，为结构改进提供了重要依据。改进后验证结果表明，谐振问题得到解决，系统性能提升明显，达到了控制设计指标要求。本研究可为其它摇摆发动机设计提供借鉴。

摇摆发动机；伺服；谐振；稳定性

0 引 言

某摇摆发动机在联试过程中，进行暂态特性摆动时，伺服系统出现不稳定谐振现象，发动机产生了特定频率的等幅振荡。摇摆发动机采用框架式结构，包含2台伺服作动器，外环作动器安装在飞行器本体上，转动轴与框架轴相连，内环作动器安装在摇摆框架上，转动轴与发动机摇摆轴相连接，发动机通过轴承连接到框架上，2台伺服作动器在相互垂直的方向上，其组成基本相同，都由电机、角位移反馈和控制器组成。通过外环作动器和内环作动器分别带动框架和发动机摆动，可以实现发动机在空间任意方向上的摇摆，从而控制发动机推力的方向。这种结构实现发动机和框架摆动所需的转动力矩小，可降低对电机功率要求[1]，其结构形式如图1所示。在发生谐振问题后，通过伺服仿真分析对控制参数进行调整，在降低控制增益后，谐振现象能有所改善，但动态指标大大降低，无法满足姿控设计提出的指标要求。为了彻底解决这一问题，需要开展试验研究，查找出伺服系统谐振的主要影响因素，从而确定后续改进方案。

图1 摇摆发动机结构示意

1 研究途径

摇摆发动机是一种典型的执行机构，是飞行器姿控系统的重要组成部分，自身带有反馈和综合放大器，是一个小回路，其性能直接影响着飞行器姿控稳定性和动态品质[2]。它主要包括伺服与结构两部分，如果结构设计存在刚度薄弱环节，引起的结构弹性响应容易通过反馈引入回路，导致伺服性能变差，当控制参数选取不当时，还可导致控制系统失稳。摇摆发动机联调出现失稳谐振现象，这是系统设计稳定性不够的表现。在分析和设计控制系统时，关键是有详细的被控对象模型，对象模型准确性直接影响控制系统的性能指标。完全用解析方法求数学模型相当困难，最好的办法是用试验来确定系统的数学模型[3]。

摇摆发动机小回路见图2，与其它执行机构一样，其前向通道由多个环节组成[4]，既包括了电机环节，又含有机械和传动环节，需要通过试验来获得各环节的频率特性，然后辨识出数学模型，再进行伺服设计[5]。频率特性试验通常要在闭环设计之前进行，有些性能要求较高的型号，在单机结构设计时就考虑进行相关试验研究，剔除刚度薄弱环节，防止设计反复。在组成系统后，先应进行开环频率特性试验，获得小系统数学模型，在此基础上再进行闭环设计。设计完成后，再进行闭环系统频率特性试验，检验系统性能。整个设计过程应遵循先单机后整体、先开环再闭环的原则。

图2 摇摆发动机小回路示意

模型的准确性和完整性是伺服设计的重要依据，因此，必须通过对摇摆发动机进行频率特性试验，获得各环节的详细频率特性，确定各环节的传递特征，查找出执行机构结构设计的薄弱环节，才能为谐振问题的定位分析提供帮助，这样对结构改进和控制系统性能改善也具有重要意义。由于摇摆发动机伺服系统已经完成了闭环系统的初步设计，只能进行闭环频率特性测试，通过试验获取系统各环节的特性，来查找结构缺陷，寻求最佳改进途径。由图2可知，试验需要研究指令和干扰2种输入下的频率特性。将干扰输入置0，在指令端输入信号，可获取指令输入下频率特性；同样，将指令输入置0，在干扰端输入，可获取干扰下频率特性。指令输入直接通过伺服控制信号施加即可，干扰力矩可通过直接对发动机进行激励来实现。

2 改进前试验研究

2.1 关键测点布置

为了确定摇摆发动机重要环节的传递关系，在关键位置布置了测点，测量转角响应，以确定出各环节的频率特性。测点按2个框分别布置，考虑到如果使用角位移传感器直接测量转角，很多位置难以安装，故改用角速率陀螺间接测量角速率后以积分的方式来测量转角[9]。外环作动器试验时，在销钉前端、端面齿曲柄前部、常平架与外环作动器连接处、鼠笼与转轴连接处、鼠笼上端、发动机喷管尾部等位置布置了传感器；内环作动器试验时，在销钉前端、端面齿曲柄中部、作动器安装板、鼠笼与转轴连接处、鼠笼上端、发动机喷管尾部等位置布置传感器。具体的测点布置如图3所示。

图3 测点布置示意

续图3

2.2 谐振失稳测试

为了观察摇摆发动机失稳的关键响应特征，进行了稳定性测试。将伺服系统闭环，然后拍击发动机喷管，模拟外部干扰，检验系统稳定性，试验过程中实时记录结构响应。沿内环作动器进行拍击时，伺服系统出现了失稳现象，实际测量获得的作动器反馈角位移和发动机转角响应曲线如图4所示。由图4可以看出，在外干扰下，伺服闭环系统以一定概率失稳。内环拍击时，外环作动器先抖动，随后内环作动器进行抖动，由于沿内环作动器方向进行拍击，即施加绕外环轴干扰，外环作动器起始抖动幅值比内环作动器大，但随后缓慢收敛，而内环作动器迅速发散，发散后以0.3°左右固定幅值进行抖动，发动机抖动角度约1.3°，因结构弹性影响，在传递过程中被放大。

图4 系统失稳谐振响应曲线

2.3 指令输入下频率特性试验

在指令端施加正弦扫描信号进行频率特性试验。扫描时同步测量系统各环节的响应，以作动器的角位移反馈信号为输入，以测量的关键环节响应为输出，进行频率特性计算，以获得结构负载的弹性特征。实测相对角位移反馈输出的频率特性试验结果如图5所示。

图5 相对角位移的频率特性

实测特性结果表明，外环作动器试验时结构响应的谐振频率约14 Hz，最终放大7倍，通过谐振峰后幅值迅速衰减，具有较强的非线性。在谐振频率处，销钉前端和端面齿曲柄前部基本相同，放大约3倍，过了端面齿和外环作动器转轴后，在常平架与外环作动器连接处达到5.5倍，再经过内环作动器转轴后，鼠笼与发动机响应基本相同，均在7倍左右。内环作动器的谐振频率约17 Hz，放大约8倍，同样谐振后迅速衰减。内环作动器转动时，作动器安装板响应很小，在谐振处，销钉前端和端面齿曲柄中部基本相同，放大约3倍，过了端面齿和内环作动器转轴后，鼠笼与发动机响应基本相同，均在8倍左右。

由各环节特性分析可知，外环的结构谐振频率约14 Hz，内环的结构谐振频率约17 Hz，虽然2个伺服相同，但摇摆发动机的外环惯量比内环大，而结构频率与惯量开方成反比，所以外环频率更低。结构谐振频率相对较低而且结构阻尼较小，容易与伺服耦合，从而约束了伺服动态性能。只有提高结构的谐振频率，才有可能提升伺服的动态指标。摇摆发动机的惯量主要取决于框架和喷管，这两部分结构难以修改，只能考虑修改结构薄弱传动环节，通过增加刚度来提高结构频率。2个方向的结构主要放大环节都是销钉前端和端面齿与转轴连接处，其次的放大环节在鼠笼与转轴连接位置，如果修改这2个主要影响环节，提高其刚度，应该可以提高结构的固有频率。

2.4 干扰力矩下频率特性试验

将指令输入置0，在发动机尾部安装激振器施加激励，来模拟干扰力矩。在激振器激励时，同步测量激振力和各结构环节的响应，计算出在干扰力矩下的频率特性。干扰力矩状态下的测点与指令输入试验基本一致。干扰激励下的频率特性结果如图6所示。

图6 干扰力矩频率特性

施加干扰力矩，绕外环作动器的谐振频率约为 12 Hz，作动器的角位移反馈幅值为0.055（°）/（N·m），通过各环节放大后导致发动机响应幅值进一步放大，发动机的谐振幅值达到0.33（°）/（N·m）。绕内环作动器的谐振频率约11 Hz，作动器角位移的反馈幅值为 0.06（°）/（N·m），传递放大后发动机的谐振幅值为 0.24（°）/（N·m）。

应用型本科建设最早是在2014年教育部提出，要将全国1 000多所本科院校中的一半向应用型大学转变。应用型本科教育强调培养学生的实践能力和操作技能，它的提出使得高等院校的本科教育不再只关注理论教学和科研，转而更加重视应用型人才的培养。为贯彻落实教育部提出应用型本科教育的转型发展，武汉商学院在2015年申报并获批成立国际商务专业。该专业的目标是培养学生具备较强的社会适应能力、国际商务交际能力、商务素养、商业技能和处理商业实务的能力。本研究选择国际商务专业为研究对象，探索国际商务专业在校企合作背景下培育高素质技能型人才的模式。

从施加干扰力矩结果可知，摇摆发动机相对干扰的谐振频率很低，反馈对干扰的谐振幅值较大，传到发动机后进一步放大，系统抗干扰能力较差。

3 改进后试验验证

在确定结构的主要薄弱位置后，对结构进行了修改，主要考虑修改主薄弱位置，即作动器的销钉前端（即摆杆）和端面齿（带转轴）环节，通过增加结构的厚度与宽度来提高弯曲刚度。次薄弱位置在发动机位置，涉及框架与转轴部分，由于修改这一环节影响大且周期较长，综合考虑当前伺服设计指标，主薄弱环节的修改应可以达到要求，故没有修改次薄弱环节。结构修改完成后，对改进后的产品按同样方式进行了指令输入和干扰力矩输入下的频率特性试验测试，指令输入频率特性试验结果如图7所示，干扰力矩输入频率特性试验结果如图8所示。

图7 相对角位移的频率特性（结构改进后）

图8 结构改进后干扰力矩频率特性

3.1 指令输入试验结果

改进后伺服系统外环作动器的谐振频率大于 19 Hz，放大了约7倍，内环作动器的谐振频率约大于21 Hz，放大约4倍，改进后谐振频率明显提高，谐振幅值也有所降低。测量频率特性曲线在超过谐振峰值后变差，从典型时域曲线（图9）可以看出，此时角位移反馈测量精度迅速降低，造成谐振后的频率特性产生较大偏差，但不影响定性判断，修改后的结构固有频率改善明显。从结果可知，改进后指令输入下的谐振频率提高，外作动器试验的谐振频率大于19 Hz，内环作动器试验的谐振频率大于21 Hz，改进取得了较好的效果。

图9 高频段时域曲线

3.2 干扰力矩试验结果

改进后施加干扰力矩，绕外环作动器的谐振频率约22 Hz，是改进前的1.8倍，作动器角位移反馈降低为0.003（°）/（N·m），比改进前小18倍，发动机的谐振幅值为0.045（°）/（N·m），比改进前小7倍。绕内环作动器的谐振频率约26 Hz，是改进前2.4倍，作动器角位移反馈降为0.007（°）/（N·m），比改进前小8倍，发动机的谐振幅值为0.021（°）/（N·m），比改进前小11倍。由此可知，结构改进后，干扰下的谐振频率增加明显，谐振幅值大大降低，干扰对反馈影响基本可以忽略，系统抗干扰能力大幅增强。

3.3 稳定性检验

改进后，摇摆发动机伺服系统进行了闭环稳定性检验，包括进行各种暂态和外干扰条件测试，系统运行正常，无明显谐振现象。在后续的正式联试试验中，摇摆发动机伺服系统工作良好，未出现改进前的不稳定谐振现象。

从指令输入和干扰力矩试验结果表明，通过确定薄弱位置改进后，结构刚度增加显著，改进效果良好，伺服动态性能提升明显，并大幅提高了系统抗干扰能力，为控制稳定性设计提供了较好的基础，达到了研究目的。改进后系统也通过了实际的工作测试，性能良好。

4 结 论

通过此次摇摆发动机谐振问题研究，建立了摇摆发动机全回路特性试验方法，增加了试验测试覆盖性，形成了相关问题试验分析途径，掌握了摇摆发动机伺服系统结构设计中的弱刚度查找办法，为如何提高执行机构性能，保证姿控系统设计指标，提供了很好的借鉴。

a）通过对改进前试验研究，发现指令输入下的谐振频率较低，幅值放大明显。干扰力矩下的结构响应幅值较大，表明系统抗干扰能力低。由于摇摆发动机伺服系统存在结构薄弱环节，弹性频率低且阻尼较小，导致系统容易出现失稳谐振。

b）通过各级传递特性分析，找到了结构薄弱环节。摆杆和端面齿是主薄弱环节，次薄弱环节在鼠笼与转轴连接处。通过改进薄弱环节，增加刚度，可以提高结构的固有频率，避开伺服控制频带，从而提升伺服系统性能。

c）结构改进后检验，指令输入下的谐振频率提高明显，改进效果较好，为伺服设计提供了较好的基础。干扰力矩下的谐振幅值大幅降低，系统抗动态干扰精度大大增加。

d）通过对试验查找结构薄弱环节改进后，系统结构刚度显著增加，弹性频率升高，避开了伺服耦合问题。后续伺服设计结果表明，伺服系统的动态性能改善明显，并且大幅提高了系统抗干扰能力，改进效果良好。

姿控进行全飞行器控制回路设计时，要根据设计指标考虑结构弹性效应，增加设计模型的真实性。可以参考现有技术，对其它摇摆发动机执行机构进行试验研究，查找薄弱环节和潜在隐患，提升执行机构的安全性和性能，为飞行器姿控设计提供有力保障。

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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

苏华昌（1979-），男，研究员，主要研究方向为结构动力学与控制耦合。

张鹏飞（1986-），男，高级工程师，主要研究方向为多维振动试验技术。

孙 颖（1986-），男，工程师，主要研究方向为结构动力学与控制耦合。

夏 鹏（1991-），男，工程师，主要研究方向为多维振动试验技术。

2018-10-25；

2019-02-15