CN101105423B - 变刚度舵机仿真加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于飞行器等控制系统仿真的执行机构加载装置，即变刚度舵机仿真加载装置。它根据飞行器飞行时舵机负载与飞行器海拔高度和飞行速度相关的性质特点，改传统主动施力为被动加载，即通过改变弹簧片工作长度实现模拟飞行器在不同高度不同速度时舵片所受的气动力，可有效消除传统舵机伺服加载仿真中产生多余力的现象，使用该装置为舵机加载，可使飞行器控制系统仿真具有更高的精度。此外，装置通过专门的反力矩加载系统实现了装置的反力矩加载能力。

Description

变刚度舵机仿真加载装置
技术领域
本发明涉及一种飞行器控制系统执行机构即舵机的仿真加载装置，用于舵机性能测试和实验室半实物仿真试验中模拟飞行器实际飞行过程中舵机的实时负载，属于飞行器控制领域。
技术背景
舵机伺服仿真加载装置的作用是运用其他加载手段模拟飞行器在飞行过程中舵面所受空气动力矩，其功能是在实验室条件下复现飞行器在飞行过程中舵面所受的载荷，从而检测飞行器控制系统的性能指标。传统的舵机伺服仿真加载装置实际是个施力机构，该机构基本由电液伺服阀、液压缸(或液压马达)及控制器的等组成，或由伺服电机、减速传动机构及控制器等组成。液压缸的输出或减速传动机构的输出直接加到被试舵机输出轴上。装置施力的大小理想情况是由输入控制器的电压信号而定，该信号代表舵面所受空气动力矩。由于施力机构响应速度有限，而且舵片位置是变化的，所以会生产较大的多余力，影响仿真的精度。
最大限度地减少多余力是传统舵机伺服仿真加载装置设计的主要指标，通常其途径就是提高施力机构的响应速度和采用新的控制方法，但其响应速度受到执行机构-液压伺服系统或电动伺服系统响应速度的限制，使传统伺服加载系统无法消除多余力，尤其是对于响应速度要求快的旋转弹舵机系统的加载仿真，目前还没有可适用的加载装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种变刚度舵机仿真加载装置。
本发明是由负载刚度变化机构、输出轴连接机构、反力矩加载系统和计算机控制系统等组成；根据飞行器飞行时舵机负载的性质特点，改传统主动施力为被动加载，即通过伺服机构改变负载弹簧片工作长度实现模拟飞行器在不同高度不同速度时舵片所受的气动力，可有效消除传统舵机伺服加载装置仿真时产生多余力的现象。
负载刚度变化机构是由电机或其它动力机构、直线传动平台、具有柔性的负载弹簧片、定位滑块等组成；通过伺服机构改变负载弹簧片的工作长度，实现根据需要改变负载刚度。负载弹簧片的一处由定位滑块内部的负载弹簧片压紧机构压紧，它由负载弹簧片定位辊、负载弹簧片压紧辊和压紧弹簧或其他压紧机构组成；压紧弹簧或其他压紧机构可控制压紧力，使机构能够很好的对负载弹簧片进行定位压紧；电机通过直线传动平台拖动定位滑块直线往复运动，并使定位滑块能够精确定位在任意需要位置，实现负载弹簧片工作长度改变的快捷性和准确性。
负载弹簧片压紧机构，是由负载弹簧片定位辊、负载弹簧片压紧辊和压紧弹簧或其他压紧机构组成；压紧弹簧或其他压紧机构可控制压紧力，使机构能够很好的对负载弹簧片进行定位压紧，且不影响负载弹簧片工作长度改变的快捷性。
负载弹簧片连接方式为将一个负载弹簧片一端接被试舵机输出轴或经过连接机构接被试舵机输出轴，负载弹簧片的中间某个位置固定在定位滑块上，上下两个辊子压在负载弹簧片中间任意位置(具体位置由定位滑块位置决定)，该两个辊子被固定在定位滑块上，其中一个辊子(定位辊)的位置相对定位滑块是固定的，但可以转动，另一个辊子(压紧辊)在压紧负载弹簧片方向上可以上下移动，同时也能转动，确保两个辊子之间压紧负载弹簧片的力可由压紧弹簧或其他压紧机构确定；
定位滑块的位置由伺服系统或其它能够控制位置的系统控制；
反力矩加载系统是由反力矩加载缸和伺服阀等组成；系统通过伺服阀控制反力矩加载缸的工作压力，实现装置的反力矩加载能力。反力矩加载缸与输出轴连接机构。被试舵机加载点处或负载弹簧片端点连接机构上加反力矩气缸或液压缸，控制气缸或液压缸工作压力，实现仿真加载系统具有反力矩加载能力，或反力矩气缸与负载弹簧片同时加载，其合力为实际要求加载力。该反力矩加载系统在不需要反力矩的仿真设备上可以不加。
计算机控制系统是由工业控制计算机、伺服阀驱动器和电机控制器等组成；它主要接收来自仿真系统的控制信号，将该信号经处理发出控制伺服阀或电机，或控制两者的信号，实现为仿真舵机加载的目的。
变刚度舵机仿真加载装置工作过程为：
当变刚度舵机仿真加载装置接收到仿真系统的要求加的控制力矩和舵机转角时(或直接给出要求刚度)，计算机控制系统计算出相应的负载刚度，根据该刚度负载刚度变化机构调节定位滑块的位置，从而实现要求的负载刚度，完成给被仿真舵机加载的任务。
当被仿真舵机要求加载反力矩时，变刚度舵机仿真加载装置的计算机控制系统计算出反力矩的大小(或刚度大小)，通过伺服阀控制气缸或液压缸的工作压力，实现给仿真舵机加反力矩负载。
为了变刚度舵机仿真加载装置响应速度快，可以负载刚度变化机构和反力矩加载系统同时工作，实现要求的仿真加载刚度。
本发明是从加载方式上完全改变传统的伺服加载方式，并根据飞行器飞行时舵机负载与飞行器海拔高度和飞行速度相关的性质特点，改传统主动施力为被动加载，即通过伺服改变负载弹簧片工作长度实现模拟飞行器在不同高度不同速度时舵片所受的气动力，可有效消除传统舵机伺服加载仿真中产生多余力的现象，负载弹簧片刚度的变化由改变负载弹簧片工作长度实现，所谓负载弹簧片工作长度即为从被试舵机加载点到负载弹簧片固定端，负载弹簧片固定端可以根据控制力矩信号要求由伺服系统控制其位置。
为实现加载负载弹簧片工作长度改变的快捷，负载弹簧片固定端是由负载弹簧片上下两个辊子压紧点确定，改变压紧点位置，即可改变负载弹簧片工作长度，为使两个辊子压紧负载弹簧片且运动方便，两个滚子之间间距是柔性的，压紧力由压紧弹簧或其它可控压紧力的压紧机构确定，但其压紧力要大于使负载弹簧片固定的最小力。
为了使仿真加载系统具有反力矩加载能力，在被试舵机加载点处或输出轴连接机构上某点处加反力矩气缸或液压缸，通过控制气缸或液压缸工作压力，实现仿真加载装置的反力矩加载，或反力矩气缸与负载弹簧片同时加载，其合力为实际要求加载力。
本发明相比现有技术方案具有如下积极效果：
1.本发明加载装置由于采用被动加载，即通过伺服改变负载弹簧片工作长度实现模拟飞行器在不同高度不同速度时舵片所受的气动力，可有效消除传统舵机伺服加载装置仿真时产生多余力的现象。
2.对于大部分飞行器，其飞行速度和高度变化率远远小于舵片角度变化率，因而被试系统对加载装置刚度变化的响应速度要求与对传统加载装置响应速度要求相比显著降低，能使加载系统的成本也降低。
附图说明
图1-本发明的舵机伺服加载装置系统图；
图2-本发明舵机伺服加载装置结构图；
图3-本发明定位滑块内部结构图；
其中：I-负载刚度变化机构，II-输出轴连接机构，III-反力矩加载系统，IV-计算机控制系统。
其中：1-电机，2-直线传动平台，3-负载弹簧片，4-定位滑块，5-反力矩加载缸，6-定位辊，7-压紧辊，8-压紧弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
本发明涉及的无多余力的舵机伺服加载装置主要由：负载刚度变化机构(I)、输出轴连接机构(II)、反力矩加载系统(III)和计算机控制系统(IV)等组成；
负载刚度变化机构I主要由(见图1、图2和图3)：电机1、直线传动平台2、负载弹簧片3、定位滑块4组成。负载弹簧片3的一处由定位滑块4内部的负载弹簧片压紧机构压紧，它由负载弹簧片定位辊6、负载弹簧片压紧辊7和压紧弹簧或其他压紧机构8组成；压紧弹簧或其他压紧机构8可控制压紧力，使机构能够很好的对负载弹簧片3进行定位压紧。电机1通过直线传动平台2拖动定位滑块4直线往复运动，并使定位滑块4能够精确定位在任意需要位置，从而实现负载弹簧片3工作长度改变的快捷性和准确性。
反力矩加载系统III主要由反力矩加载缸5和伺服阀等组成。系统通过伺服阀控制反力矩加载缸5的工作压力，实现装置的反力矩加载能力。反力矩加载缸5与输出轴连接机构。
工作过程为：
当变刚度舵机仿真加载装置接收到仿真系统的要求加的控制力矩和舵机转角时(或直接给出要求刚度)，计算机控制系统计算出相应的负载刚度，根据该刚度负载刚度变化机构调节定位滑块的位置，从而实现要求的负载刚度，完成给被仿真舵机加载的任务。当被仿真舵机要求加载反力矩时，变刚度舵机仿真加载装置的计算机控制系统计算出反力矩的大小(或刚度大小)，通过伺服阀控制气缸或液压缸的工作压力，实现给仿真舵机加反力矩负载。
为了变刚度舵机仿真加载装置响应速度快，可以负载刚度变化机构和反力矩加载系统同时工作，实现要求的仿真加载刚度。

Claims (1)

1.变刚度舵机仿真加载装置，它包括负载刚度变化机构(I)、输出轴连接机构(II)、反力矩加载系统(III)和计算机控制系统(IV)；其特征在于：负载刚度变化机构(I)包括电机或其它动力机构(1)、直线传动平台(2)、负载弹簧片(3)、定位滑块(4)；定位滑块是由定位辊(6)、压紧辊(7)和压紧弹簧(8)组成；连接方式为将负载弹簧片(3)一端接被试舵机输出轴或经过连接机构(II)接被试舵机输出轴，负载弹簧片(3)的中间某个位置固定在定位滑块(4)上，定位滑块(4)的两个辊子——定位辊(6)和压紧辊(7)压在负载弹簧片(3)中间任意位置——具体位置由定位滑块(4)位置决定，所述的定位辊(6)和压紧辊(7)被固定在定位滑块(4)上，其中所述定位辊(6)的位置相对定位滑块(4)是固定的，但可绕其自身中心轴线转动，压紧辊(7)在负载弹簧片(3)方向上可以上下移动，确保所述的定位辊(6)和压紧辊(7)之间负载弹簧片(3)的力由压紧弹簧(8)确定；定位滑块的位置由电机或其它动力机构(1)控制；该仿真加载装置采用被动加载方式，通过负载刚度变化机构(I)伺服改变负载弹簧片(3)工作长度实现模拟飞行器在不同高度不同速度时舵片所受的气动力。
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