留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] 赵宏伟. A320系列飞机遥控无杆牵引车结构设计和力学分析[D]. 天津: 中国民航大学, 2017: 10-20.

    ZHAO H W. Structural design and mechanical analysis of A320 series aircraft remote control rodless tug[D]. Tianjin: Civil Aviation University of China, 2017: 10-20(in Chinese).
    [2] 朱贺. 飞机牵引系统制动性能分析[D]. 天津: 中国民航大学, 2016: 15-25.

    ZHU H. Analysis of the braking performance of aircraft traction system[D]. Tianjin: Civil Aviation University of China, 2016: 15-25 (in Chinese).
    [3] 王志, 陈文科, 闫洪峰, 等. 电动无杆飞机牵引车设计[J]. 液压气动与密封, 2006(3): 8-10.

    WANG Z, CHEN W K, YAN H F, et al. Design of electric rodless aircraft tractor[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2006(3): 8-10(in Chinese).
    [4] 魏延辉, 彭富国, 盛超, 等. 自主式水下机器人运动稳定性控制方法[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2014, 42(2): 127-132.

    WEI Y H, PENG F G, SHENG C, et al. Motion stability control method of autonomous underwater robot[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2014, 42(2): 127-132(in Chinese).
    [5] 俞建成, 张艾群, 王晓辉, 等. 基于模糊神经网络水下机器人直接自适应控制[J]. 自动化学报, 2007, 33(8): 840-846.

    YU J C, ZHANG A Q, WANG X H, et al. Motion stability control method of autonomous underwater robot[J]. Acta Automatica Sinica, 2007, 33(8): 840-846(in Chinese).
    [6] 魏静波, 刘昆, 吴锦杰. 惯性定向三轴稳定卫星姿态自适应滑模控制[J]. 控制与决策, 2013, 28(8): 1231-1234. doi: 10.13195/j.cd.2013.08.113.weijb.007

    WEI J B, LIU K, WU J J. Inertially oriented three-axis stabilized satellite attitude adaptive sliding mode control[J]. Control and Decision, 2013, 28(8): 1231-1234(in Chinese). doi: 10.13195/j.cd.2013.08.113.weijb.007
    [7] 殷春武, 刘素兵. 非合作目标捕获过程中姿态反演滑模控制[J]. 控制工程, 2019, 26(2): 276-281. doi: 10.14107/j.cnki.kzgc.160311

    YING C W, LIU S B. Attitude inversion sliding mode control in the process of non-cooperative target acquisition[J]. Control Engineering, 2019, 26(2): 276-281(in Chinese). doi: 10.14107/j.cnki.kzgc.160311
    [8] 马龙, 孙汉旭, 宋荆洲, 等. 一种球形机器人高速直线运动的自适应控制方法[J]. 振动与冲击, 2021, 40(6): 201-211. doi: 10.13465/j.cnki.jvs.2021.06.027

    MA L, SUN H X, SONG J Z, et al. An adaptive control method for high-speed linear motion of spherical robot[J]. Journal of Vibration and Shock, 2021, 40(6): 201-211(in Chinese). doi: 10.13465/j.cnki.jvs.2021.06.027
    [9] DUMLU A. Design of a fractional-order adaptive integral sliding mode controller for the trajectory tracking control of robot manipulators[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I:Journal of Systems and Control Engineering, 2018, 232(9): 1212-1229. doi: 10.1177/0959651818778218
    [10] YUE M, LIU B Y, WEI X, et al. Adaptive sliding-mode control of spherical robot with estimated rolling resistance[J]. Cybernetics and Systems, 2014, 45(5): 407-417. doi: 10.1080/01969722.2014.919205
    [11] 周凯, 孙彦成, 王旭东, 等. 永磁同步电机的自抗扰控制调速策略[J]. 电机与控制学报, 2018, 22(2): 57-63. doi: 10.15938/j.emc.2018.02.008

    ZHOU K, SUN Y C, WANG X D, et al. Speed regulation strategy of auto-disturbance rejection control for permanent magnet synchronous motor[J]. Electric Machines and Control, 2018, 22(2): 57-63(in Chinese). doi: 10.15938/j.emc.2018.02.008
    [12] 李锦英, 付承毓, 唐涛, 等. 运动平台上光电跟踪系统的自抗扰控制器设计[J]. 控制理论与应用, 2012, 29(7): 955-958.

    LI J Y, FU C Y, TANG T, et al. Design of active disturbance rejection controller for photoelectric tracking system on motion platform[J]. Control Theory and Applications, 2012, 29(7): 955-958(in Chinese).
    [13] 孙明玮, 邱德敏, 王永坤, 等. 大口径深空探测天线的抗风干扰伺服系统[J]. 光学精密工程, 2013, 21(6): 1568-1575. doi: 10.3788/OPE.20132106.1568

    SUN M W, QIU D M, WANG Y K, et al. Anti-wind interference servo system of large-aperture deep-space detection antenna[J]. Optics and Precision Engineering, 2013, 21(6): 1568-1575(in Chinese). doi: 10.3788/OPE.20132106.1568
    [14] 朱进权, 葛琼璇, 王晓新, 等. 基于自抗扰和负载功率前馈的高速磁悬浮系统PWM整流器控制策略[J]. 电工技术学报, 2021, 36(2): 320-329. doi: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191572

    ZHU J Q, GE Q X, WANG X X, et al. PWM rectifier control strategy for high-speed magnetic levitation system based on auto disturbance rejection and load power feedforward[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(2): 320-329(in Chinese). doi: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191572
    [15] 周新力, 李醒飞. 光电跟踪系统积分反步自抗扰控制策略[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2021, 54(4): 378-387.

    ZHOU X L, LI X F. PWM rectifier control strategy for high-speed magnetic levitation system based on auto disturbance rejection and load power feedforward[J]. Journal of Tianjin University (Science and Technology), 2021, 54(4): 378-387(in Chinese).
    [16] 姚芳, 林祥辉, 吴正斌, 等. 汽车防抱死制动系统的自抗扰控制研究[J]. 中国公路学报, 2021, 34(3): 1-10. doi: 10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.03.018

    YAO F, LIN X H, WU Z B, et al. Research on auto disturbance rejection control of automobile anti-lock braking system[J]. China Journal of Highway and Transport, 2021, 34(3): 1-10(in Chinese). doi: 10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.03.018
  • 加载中
图(13) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  282
  • HTML全文浏览量:  64
  • PDF下载量:  48
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答