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基于ADRC的电传动飞机牵引车控制系统设计

张军 文川 阳星 张新荣 贾永乐

张军,文川,阳星,等. 基于ADRC的电传动飞机牵引车控制系统设计[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(5):1017-1026 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0377
引用本文: 张军,文川,阳星,等. 基于ADRC的电传动飞机牵引车控制系统设计[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(5):1017-1026 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0377
ZHANG J,WEN C,YANG X,et al. Design of an electric drive aircraft tug control system based on ADRC[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(5):1017-1026 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0377
Citation: ZHANG J,WEN C,YANG X,et al. Design of an electric drive aircraft tug control system based on ADRC[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(5):1017-1026 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0377

基于ADRC的电传动飞机牵引车控制系统设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0377
基金项目: 陕西省交通运输科技计划(20-30k);广西省交通运输行业重点科技项目(19-09);河南省交通运输科技计划( 2018J1, 2019J3)
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:zhangjun@chd.edu.cn

  • 中图分类号: TH134

Design of an electric drive aircraft tug control system based on ADRC

Funds: Shaanxi Transportation Science and Technology Plan (20-30k); Key Science and Technology Projects in the Transportation Industry of Guangxi Province (19-09); Scientific Planning Project of Henan Provincial Department of Transportation (2018J1, 2019J3)
More Information
  • 摘要:

    飞机牵引过程存在大惯性、高质心和时变摩擦力的特点,严重影响电传动牵引车的平稳性。为提高电传动牵引车运行过程的稳定性,以影响飞机牵引稳定的变量转速和转矩为研究对象,分析所设计策略的控制效果。运用ADAMS和MATLAB/Simulink仿真软件,构建了10 t飞机和牵引车的动力学模型和电机模型,设计基于转速和转矩的二阶非线性自抗扰控制器。分别对比分析了基于自抗扰控制(ADRC)和PID控制的电传动飞机牵引车变速过程中的轮速动态特性,并开展了变速过程的样机控制试验。结果表明:基于二阶非线性自抗扰控制器的飞机牵引系统的变速效果更优,变速过程中的轮速在响应速度、稳定性和抗扰能力等方面均更佳;试验结果与仿真结果吻合,证明了仿真模型和仿真结果的可行性与正确性,为高稳定的电传动飞机牵引车研究奠定基础。

     

  • 图 1  飞机牵引车运动学分析示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of kinematic analysis of aircraft tug

    图 2  基于自抗扰控制器的飞机牵引车结构

    Figure 2.  Aircraft tug structure based on active disturbance rejection controller

    图 3  ADRC原理结构

    Figure 3.  Principle structure of ADRC

    图 4  ADAMS与MATLAB/Simulink联合仿真原理

    Figure 4.  Co-simulation model of ADAMS and MATLAB/Simulink

    图 5  电传动无杆飞机牵引车动力学模型

    Figure 5.  Dynamic model of electric rodless aircraft tug

    图 6  PID飞机牵引车联合仿真模型

    Figure 6.  Co-simulation model of PID aircraft tug

    图 7  ADRC飞机牵引车联合仿真模型

    Figure 7.  Co-simulation model of ADRC aircraft tug

    图 8  PID仿真电机轴转速特性曲线

    Figure 8.  Motor shaft speed characteristic curves of PID method

    图 9  ADRC仿真电机轴转速特性曲线

    Figure 9.  Motor shaft speed characteristic curves of ADRC method

    图 10  电传动飞机牵引车样机试验平台

    Figure 10.  Experiment platform of electric aircraft tug prototype

    图 11  电传动飞机牵引车样机试验平台

    Figure 11.  Electric aircraft tug prototype experiment platform

    图 12  电机轴转速特性曲线(PID试验)

    Figure 12.  Motor shaft speed characteristic curves (PID experiment)

    图 13  电机轴转速特性曲线(ADRC试验)

    Figure 13.  Motor shaft speed characteristic curves (ADRC experiment)

    表  1  电传动无杆飞机牵引车元件约束关系

    Table  1.   Elemental constraints of electric rodless aircraft tug

    构件名称万向舵轮抱轮机构后机轮驱动轮
    车体旋转副旋转副
    机体固定旋转
    路面旋转副旋转副旋转副
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    表  2  飞机和牵引车参数输入数据

    Table  2.   Input parameters of aircraft and tug

    项目参数数值
    飞机质量/kg10000
    长×宽×高/(mm×mm×mm)12270×9480×4800
    质心到后轮轴距离/mm430
    质心到前轮距离/mm4150
    质心到地面距离/mm2 000
    两后轮距离/mm2390
    牵引车质量/kg2 000
    长×宽×高/(mm×mm×mm)1500×1500×480
    质心到后轮轴距离/mm500
    质心到前轮距离/mm920
    质心到地面距离/mm250
    两后轮距离/mm1470
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    表  3  电传动无杆飞机牵引车仿真和试验条件

    Table  3.   Simulation and experimental conditions of electric rodless aircraft tug

    项目时间/s运行状态速度/(r·min−1
    电机输入0~1匀加速0~200
    1~3匀速200
    3~4匀加速200~650
    4~7匀速650
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    表  4  电传动无杆飞机牵引车PID试验参数

    Table  4.   PID parameters of electric rodless aircraft tug

    项目KpKi
    仿真值样机参考值仿真值样机参考值
    d轴电流环5.835.25~6.411053.8948.42~1159.18
    q轴电流环13.211.88~14.521053.8948.42~1159.18
    速度环0.140.13~0.1576.30~7.70
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    表  5  电传动无杆飞机牵引车ADRC试验参数

    Table  5.   ADRC parameters of electric rodless aircraft tug

    项目${\beta _{01}}$${\beta _{02}}$${\beta _1}$b
    仿真值样机参考值仿真值样机参考值仿真值样机参考值仿真值样机参考值
    d/q轴电流环85007650~9350500000450000~5500002018~22120108~132
    转速环850765~9355000045000~5500050004500~550000
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    表  6  电传动无杆飞机牵引车试验数据

    Table  6.   Experimental data analysis of electric rodless aircraft tug

    控制时间段/s${n_{\max }}$${n_{\min }}$${n }$${S }$/%
    ADRC控制1~3199.81912004.4
    3~76726586652.1
    PID控制1~321318620013.5
    3~770663366511.0
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-05
  • 录用日期:  2021-09-30
  • 网络出版日期:  2021-12-13
  • 整期出版日期:  2023-05-31

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