航天机电伺服系统非线性表征建模与动态特性精细化预示

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30203

Abstract

Abstract:

Aiming at the difficulties in predicting the dynamic performance of aerospace Electro-Mechanical Actuator （EMA） due to the multiple nonlinear coupling of mechanics， electricity， magnetism and controlling， a V-shape requirement model， a multi-level architecture model and an accurate prediction model for EMA in Thrust Vector Control （TVC） are built based on Model-Based System Engineering （MBSE）， Analytic Hierarchy Process （AHP） and incremental modeling respectively. The first-level model enables the position enveloping prediction by adjusting motor power and reduction ratio. The second-level model realizes position response prediction and dimension estimation with incremental RL electromagnetic framework and trigonometric kinematic functions. The third-level model constructs the coupling relations of multi-physical domain， and the fourth-level model refines the non-linearity of key parameters which enables accurate prediction of rotating speed and current dynamic response. The prediction accuracy of the multi-level model is verified by three sets of time domain tests. The design instance indicates that the multi-level models under multiple constraints obtain 3.6 times more than the individual fourth-level model with a 50.6% reduction in calculating time. The optimal power-weight ratio reaches 488.95 W/kg， and the phase frequency bandwidth reaches 9.87 Hz， which strongly supports the rapid and accurate iteration of EMA design， and provides a feasible digital transformation practice of rocket system.

Key words: electro-mechanical actuators, multi-physical domain coupling, incremental non-linear modeling, model-based system engineering, thrust vector control

CLC Number:

V421.6⁺4

Menglong JIANG, Jian FU, Yinan LIU, Mingwei SUN, Yuping HUANG, Zhiyuan YU. Nonlinear characterization modeling and dynamic performance accurate prediction of aerospace electromechanical actuator[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(15): 630203-630203.

Figures/Tables 13

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Table 1

Fig.8

Fig.9

Table 2

Summary of four iterative design results

试验项		可行解数量/个	耗时/h	质量/kg	i_q峰值/A	功重比/（W·kg^-1）	电机力能密度/（ $W ⋅ N ⋅ m ⋅ k g - 2$ ）	4°阶跃上升时间/ms	4°阶跃超调/%	回环宽度/（°）	零偏/（°）	相频带宽/Hz
一组	增量继承优化	［153 980 840 142］	24.7	21.94	145.03	475.46	3 790.18	55	4.88	0.08	0.00	9.53
一组	单四级优化	36	50.0	20.77	89.03	387.31	3 263.32	57	3.98	0.03	0.00	8.10
二组	增量继承优化	［167 684 931 129］	22.6	20.02	128.24	488.95	4 202.78	54	1.58	0.06	0.00	9.87
二组	单四级优化	35	47.5	20.93	130.15	416.72	3 426.57	51	6.01	0..08	0.01	8.61

Table 2

Table 3

Fig.10

References 34

1	HOROWITZ M C. The state of the missile technology control regime［EB/OL］. （2017-01-01）［2023-12-28］. .
2	MIRANDA D. 2020 NASA technology taxonomy［EB/OL］. （2019-10-11）［2023-12-28］. .
3	黄玉平，崔佩娟，安林雪，等. 高品质航天伺服产品及其实现途径探索［J］. 导弹与航天运载技术（中英文）， 2022（6）： 38-42.
	HUANG Y P， CUI P J， AN L X， et al. High-quality aerospace servo products and its realization way to explore［J］. Missiles and Space Vehicles， 2022（6）： 38-42 （in Chinese）.
4	ANNAZ F Y， KALUARACHCHI M M. Progress in redundant electromechanical actuators for aerospace applications［J］. Aerospace， 2023， 10（9）： 787-809.
5	张旭辉. 智能化战争中的下一代武器系统形态构想［J］. 导弹与航天运载技术， 2021（2）： 1-4.
	ZHANG X H. The form visualization of next generation weapon system in intelligent war［J］. Missiles and Space Vehicles， 2021（2）： 1-4 （in Chinese）.
6	LI J M， YU Z Y， HUANG Y P， et al. A review of electromechanical actuation system for more electric aircraft［C］∥2016 IEEE International Conference on Aircraft Utility Systems （AUS）. Piscataway： IEEE Press， 2016： 490-497.
7	MARÉ J C. Practical considerations in the modelling and simulation of electromechanical actuators［J］. Actuators， 2020， 9（4）： 94.
8	李建明，蒋孟龙，安林雪，等. 机电作动器动力学建模与电流跳变现象分析［J］. 电机与控制学报， 2020， 24（1）： 104-110.
	LI J M， JIANG M L， AN L X， et al. Dynamic modeling and current jump analysis of electro-mechanical actuator［J］. Electric Machines and Control， 2020， 24（1）： 104-110 （in Chinese）.
9	GAO F， LI P P， LI Y. Dynamic analysis of ball screw feed system with abrupt-change-nonlinear drive stiffness［J］. Industrial Lubrication and Tribology， 2021， 73（10）： 1258-1266.
10	卢晋，吴志刚，杨超. 电动舵机模块化建模及动刚度仿真［J］. 北京航空航天大学学报， 2021， 47（4）： 765-778.
	LU J， WU Z G， YANG C. Modular modeling and dynamic stiffness simulation of electromechanical actuator［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2021， 47（4）： 765-778 （in Chinese）.
11	MARÉ J C. A preliminary top-down parametric design of electromechanical actuator position control［J］. Aerospace， 2022， 9（6）： 314.
12	魏泽宇，许文波，张国林，等. 航天机电伺服系统的自抗扰控制［J］. 控制理论与应用， 2021， 38（1）： 73-80.
	WEI Z Y， XU W B， ZHANG G L， et al. Active disturbance rejection control of aerospace electromechanical servo system［J］. Control Theory & Applications， 2021， 38（1）： 73-80 （in Chinese）.
13	LIU C Q， LUO G Z， CHEN Z， et al. Finite-time convergent multiple disturbance rejection control for electromechanical actuators［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2021， 36（6）： 6863-6878.
14	RUAN W， DONG Q L， ZHANG X Y， et al. Friction compensation control of electromechanical actuator based on neural network adaptive sliding mode［J］. Sensors， 2021， 21（4）： 1508.
15	丁汉. 机械工程学科发展战略报告（2021~2035）［M］. 北京：科学出版社， 2021： 243-264.
	DING H. Report on the development strategy of mechanical engineering discipline （2021—2035）［M］. Beijing： Science Press， 2021： 243-264 （in Chinese）.
16	彭坤，韩冬，刘霞，等. 基于SysML和Modelica的载人月球探测航天器总体设计与仿真验证［J］. 宇航学报， 2023， 44（9）： 1460-1470.
	PENG K， HAN D， LIU X， et al. System design and simulation verification of manned lunar exploration spacecraft based on SysML and modelica［J］. Journal of Astronautics， 2023， 44（9）： 1460-1470 （in Chinese）.
17	何巍，胡久辉，赵婷，等. 基于模型的运载火箭总体设计方法初探［J］. 导弹与航天运载技术， 2021（1）： 12-17， 32.
	HE W， HU J H， ZHAO T， et al. Research on model based launch vehicle overall design［J］. Missiles and Space Vehicles， 2021（1）： 12-17， 32 （in Chinese）.
18	毕文豪，范秋岑，李德林，等. 基于多视角的民机正向设计建模方法［J］. 航空学报， 2023， 44（10）： 227536.
	BI W H， FAN Q C， LI D L， et al. Modeling approach for forward design of civil aircraft based on multiple perspectives［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（10）： 227536 （in Chinese）.
19	马红鹏，吴帅，焦宗夏，等. 垂直起降运载火箭多执行装置系统优化研究［J］. 导弹与航天运载技术， 2022（3）： 53-59.
	MA H P， WU S， JIAO Z X， et al. System optimization study on the multiple actuators of vertical landing launch vehicles［J］. Missiles and Space Vehicles， 2022（3）： 53-59 （in Chinese）.
20	FU J， MARE J C， YU L M， et al. Multi-level virtual prototyping of electromechanical actuation system for more electric aircraft［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2018， 31（5）： 892-913.
21	FU J， MARÉ J C， FU Y L. Modelling and simulation of flight control electromechanical actuators with special focus on model architecting， multidisciplinary effects and power flows［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2017， 30（1）： 47-65.
22	SONG Z Y， PAN H， ZHAO Y X， et al. Reviews and challenges in reliability design of long March launcher control systems［J］. AIAA Journal， 2022， 60（2）： 537-550.
23	朱康武，傅俊勇，曾凡铨，等. 运载火箭电液推力矢量控制系统总体设计策略研究［J］. 宇航学报， 2014， 35（6）： 685-692.
	ZHU K W， FU J Y， ZENG F Q， et al. Study on the architecture design strategy of electric-hydraulic thrust vector control system for launch vehicle［J］. Journal of Astronautics， 2014， 35（6）： 685-692 （in Chinese）.
24	MARÉ J C. Aerospace actuators： Signal-by-wire and power-by-wire［M］. Hoboken： Wiley， 2017： 178.
25	白龙，孙楚，周元钧. 航空机电作动器的混合整流全状态反馈控制［J］. 航空学报， 2016， 37（6）： 1940-1952.
	BAI L， SUN C， ZHOU Y J. Full-state feedback control of a novel hybrid rectifier applied to aircraft electric actuator load［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2016， 37（6）： 1940-1952 （in Chinese）.
26	QIN X F， SHEN J X. Mathematical modeling of high-speed PMSM considering rotor eddy current reaction effect［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2023， 38（4）： 2947-2958.
27	曹萌萌，胡健，周海波，等. 基于神经网络的机电作动器滑模输出反馈控制［J］. 机械工程学报， 2023， 59（10）： 357-365.
	CAO M M， HU J， ZHOU H B， et al. Sliding mode output feedback control of electromechanical actuator based on neural network［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2023， 59（10）： 357-365 （in Chinese）.
28	LIANG M N， ZHOU D J. A nonlinear friction identification method combining separable least squares approach and kinematic orthogonal property［J］. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing， 2022， 23（2）： 139-152.
29	袁登科，蓝海荃，胡宗杰. 基于LabVIEW的直流电机控制的建模与仿真［J］. 机电一体化， 2021， 27（5）： 37-43.
	YUAN D K， LAN H Q， HU Z J. Modelling and simulation of direct current motor control based on LabVIEW［J］. Mechatronics， 2021， 27（5）： 37-43 （in Chinese）.
30	RODRÍGUEZ-ABREO O， RODRÍGUEZ-RESÉNDIZ J， ÁLVAREZ-ALVARADO J M， et al. Metaheuristic parameter identification of motors using dynamic response relations［J］. Sensors， 2022， 22（11）： 4050.
31	张学磊，王姝，刘正宇，等. 考虑不对称饱和的内置式永磁同步电机径向电磁力解析建模［J］. 现代防御技术， 2023（12）： 1-10.
	ZHANG X L， WANG S， LIU Z Y， et al. Analytical modeling of radial electromagnetic force of IPMSM considering asymmetric saturation［J］. Modern Defence Technology， 2023（12）： 1-10 （in Chinese）.
32	KOLANO K. New method of vector control in PMSM motors［J］. IEEE Access， 2023， 11： 43882-43890.
33	JIANG M L， SONG H Z， AN L X， et al. Health monitoring for electromechanical actuators under aerospace long storage condition［C］∥Proceedings of 2021 Chinese Intelligent Systems Conference. Singapore： Springer， 2022： 561-570.
34	武宇飞，龙腾，史人赫，等. 跨域变体飞行器气动力热非层次多模型融合降阶方法［J］. 航空学报， 2023， 44（21）： 528259.
	WU Y F， LONG T， SHI R H， et al. Non-hierarchical multi-model fusion order reduction based on aerodynamic and aerothermodynamic characteristics for cross-domain morphing aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（21）： 528259 （in Chinese）.

部组件	参数	参数值（模型层级）
控制驱动器	S_m/（r·min^-1）	5 000（一、二、三、四）
	I_m/A	81（一、二）， 100（三、四）
	P_m/W	2 613（一）
	U/V	66（二）， 100（三、四）
电机	k_t/（N·m·A_peak^-1）	0.293（一、二）， 0.239（三、四*）
	J/（kg·m²）	2.382×10^-4（一、二、三、四）
	R_a/Ω	0.249（二）
	L_a/mH	0.514（二）
	L_d， L_q/mH	0.771（三、四*）
	B/（N·m·rad^-1·s^-1）	1.000×10^-5（二、三、四）
	p_m	4（三、四）
传动机构	I	116.253（一）
	p/m	0.004（二、三、四）
	l₀/m	0.408（二、三、四）
	r/m	0.078（二、三、四）
	x₀/m	9.310×10^-4（三、四）
	k_s/（N·m^-1）	1.512×10⁷（三、四）
	F_c/N	734.308（三、四）
	F_s/N	386.534（三、四）
	v_s/（m·s^-1）	0.643（三、四）
	a	0.105（三、四）
	b	0.469（三、四）
负载台	T/（N·m·（°）^-1）	35.034（一、二、三、四）
	J_l/（kg·m²）	0.990（一、二、三、四）
	B_l/（N·m·rad^-1·s^-1）	50.107（三、四）

组件	参数	数值	参数	数值
控制驱动器	S_m/（r·min^-1）	4 385	I_s	0.024
	I_m/A	129	P_q	4.923
	P_m/W	9 790	I_q	0.218
	P_P	35.668	U/V	167
	I_P	0.197	P_d	3.520
	P_s	1.336	I_d	0.277
电机	k_t/（N·m·A_peak^-1）	0.384	L_a/mH	0.142
	J/（kg·m²）	3.219×10^-4	B/（N·m·rad^-1·s^-1）	4.200×10^-5
	R_a/Ω	0.342	P_m	6
传动机构	p/m	0.003	F_c/N	545.475
	l₀/m	0.474	F_s/N	437.467
	r/m	0.168	v_s/（m·s^-1）	0.377
	x₀/m	-1.320×10^-4	a	0.225
	k_s/（N·m^-1）	3.269×10⁷	b	-0.368
喷管	B_l/（N·m·rad^-1·s^-1）	23.171

[1]	ZHANG Bainan, QI Faren, XING Tao, LIU Yang, WANG Wei. Model based development method of manned spacecraft: Research and practice [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2020, 41(7): 23967-023967.
[2]	HU Xiaoyi, WANG Ruping, WANG Xin, FU Yongtao. Recent development of safety and reliability analysis technology for model-based complex system [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2020, 41(6): 523436-523436.
[3]	GONG Dongsheng, GU Yunsong, ZHOU Yuhang, SHI Nanxing. Control law of passive fluid thrust vector nozzle based on thermal jet of micro turbojet engine [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2020, 41(10): 123609-123609.
[4]	WU Wenhai, GAO Yang, WANG Zijian, ZHOU Siyu. Optimization of short take-off performance for carrier-based V/STOL aircraft via LADRC method [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2019, 40(6): 122772-122772.

Nonlinear characterization modeling and dynamic performance accurate prediction of aerospace electromechanical actuator

RichHTML

PDF (PC)

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 13

References 34

Related Articles 4

Recommended Articles

Metrics

Comments