CN103577244B - 负载模拟器的速度同步控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负载模拟器的速度同步控制方法和系统。其中，负载模拟器的速度同步控制系统包括加载系统、惯性负载和被测位置伺服系统；其中：惯性负载用于模拟被测位置伺服系统在实际工作中的转动惯量；加载系统用于模拟位置伺服系统在实际工作时所受的力或力矩，并将力或力矩通过惯性负载加载到被测位置伺服系统。采用本发明的负载模拟器系统和负载模拟器的速度同步控制方法，能有效避免基于速度反馈信号的结构不变性方法对高品质速度及加速度信号的要求，并能有效的解决传统速度同步方法在大、中负载下消扰能力变差的问题。

Description

负载模拟器的速度同步控制方法和系统

技术领域

本发明涉及一种速度同步控制技术，特别是一种负载模拟器的速度同步控制方法和系统。

背景技术

电液负载模拟器(EHLS)是飞行器伺服机构半实物仿真的关键设备，用于模拟舵机在飞行过程中所承受的气动载荷，其性能直接影响飞控系统伺服机构评价的置信度。其控制难点是要在位控系统的任意运动过程中实现准确的力加载，故负载模拟器是典型的带有强运动耦合的电液力伺服系统。

针对如何抑制运动扰动带来的不利影响，国内外相关学者开展了广泛的研究，其方法大体分为三类，一类是结构补偿方法。其从加载系统的硬件(机械)结构入手，通过增加辅助环节来消除运动扰动带来的不利影响，总体来说此方法的结构比较复杂，成本也比较高；第二类是基于同步补偿的控制算法。该类方法是从控制策略入手，采用补偿网络在加载系统中产生附加速度同步控制作用，达到克服运动扰动的目的。现有技术还提出了“结构不变性理论”，利用舵机系统的速度反馈信息进行前馈补偿，其研究揭示了舵机速度是影响加载精度的主要原因，为以后关于力加载系统消除运动扰动的研究奠定了基础。焦宗夏等人提出了速度同步控制算法，其采用舵机的阀信号来实现速度同步效果，在工程项目中得到了大量应用。姚建勇等人提出了一种最优模型补偿控制策略，并针对系统模型的不确定性设计了一种自适应鲁棒力矩控制策略，取得了良好效果。第三类方法是将运动耦合看作一种外干扰，通过提高力伺服系统的鲁棒性消除位置系统的影响，如H无穷控制，定量反馈控制。此外，摩擦对力矩跟踪性能也有较大影响，针对静态加载工况下的力矩跟踪，姚建勇等人设计了一种基于LuGre摩擦模型的双状态估计鲁棒控制策略，显著提升了系统跟踪精度。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个主要目的在于提供一种负载模拟器的速度同步控制系统和一种负载模拟器的速度同步控制方法，能有效避免基于速度反馈信号的结构不变性方法对高品质速度及加速度信号的要求，并能有效的解决传统速度同步方法在大、中负载下消扰能力变差的问题。

根据本发明的一方面，负载模拟器的速度同步控制系统，包括加载系统、惯性负载和被测位置伺服系统；其中：

所述惯性负载用于模拟所述被测位置伺服系统在实际工作中的转动惯量；

所述加载系统用于模拟所述位置伺服系统在实际工作时所受的力或力矩，并将所述力或力矩通过惯性负载加载到所述被测位置伺服系统。

根据本发明的另一方面，一种负载模拟器的速度同步控制方法，包括：

惯性负载模拟被测位置伺服系统在实际工作中的转动惯量；

加载系统模拟位置伺服系统在实际工作时所受的力或力矩，并将力或力矩通过惯性负载加载到被测位置伺服系统。

采用本发明的负载模拟器的速度同步控制方法和系统，能有效避免基于速度反馈信号的结构不变性方法对高品质速度及加速度信号的要求，并能有效的解决传统速度同步方法在大、中负载下消扰能力变差的问题。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本发明的负载模拟器的速度同步控制系统的实物结构图；

图2为本发明的负载模拟器的速度同步控制系统中的加载系统的结构框图；

图3为本发明的负载模拟器的速度同步控制系统的第一实施方式的结构框图；

图4为本发明的负载模拟器的速度同步控制系统的第二实施方式的结构框图；

图5为本发明的负载模拟器的速度同步控制系统的第三实施方式的结构框图；

图6为本发明的负载模拟器速度同步控制方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

参见图1所示，为本发明的负载模拟器的速度同步控制系统的实物结构图。

图1中的负载模拟器的速度同步控制系统包括被测位置伺服系统10、惯性负载20和加载系统30。其中，惯性负载20用于模拟被测位置伺服系统10在实际工作中的转动惯量。加载系统30用于模拟位置伺服系统10在实际工作时所受的力或力矩，并将该力或力矩通过惯性负载20加载到被测位置伺服系统10。

例如，被测位置伺服系统10可以是飞机的舵机。舵机作为飞机的执行机构，其在控制指令的作用下操作舵面偏转，从而使得飞机完成相应的动作(如转弯、上升、下降等)。在正式投入使用之前，需对舵机进行模拟试验，通过加载系统30，可模拟其在实际工作中所承受的载荷，进而测试其各项性能指标。

在一种实施方式中，位置伺服系统10可以包括执行机构，和位于执行机构中的伺服阀11。执行机构例如可以是液压缸，也可以是液压马达12。无论是液压缸还是液压马达，均有两个液压腔。伺服阀11用于根据控制指令控制执行机构输出力或力矩信号。

加载系统30可以包括加载伺服阀31和加载液压马达32。加载伺服阀31用于控制加载液压马达32，使得加载液压马达32输出的力或力矩经惯性负载20施加到被测位置伺服系统10。

1)首先，对加载系统30进行建模。

1.1)加载伺服阀31非线性流量方程：

其线性化方程为：

Q_L＝K_qLx_L-K_cLp_fL＝K_qLG_svL(s)u_L-K_cLp_fL (2)

Q_L：加载系统伺服阀流量(m³/s)；

C_vL：加载系统节流孔流量系数；

W_L：加载系统伺服阀节流孔面积梯度(m)；

x_L：加载系统伺服阀阀芯开口(m)；

ρ_L：加载系统液压油密度(Kg/m³)；

p_sL：加载系统油源供油压力(N/m²)；

p_fL：加载系统负载压差(N/m²)；

u_L：加载伺服阀控制电压(V)；

G_svL(s)：加载系统伺服阀阀芯位移驱动传递函数(m/V)；

K_qL：加载系统伺服阀流量系数(m²/s)；

K_cL：加载系统伺服阀流量压力系数(m⁵/N·s)；

s：微分操作符；

sign(·)：符号函数；

1.2)加载液压马达流量连续方程：

D_L：加载液压马达弧度排量(m³/rad)；

θ_L：加载液压马达转子角位移(rad)；

V_L：加载液压马达控制容积(m³)；

C_slL：加载液压马达泄漏系数(m⁵/N·s)；

βe：液压油弹性模量；

1.3)加载液压马达转子力矩平衡方程：

J_L：加载系统马达等效惯量(Kg·m²)；

B_L：加载液压马达粘性阻尼系数(N·m·s/rad)；

G_s：力矩传感器及连接轴总刚度(N·m/rad)；；

θ_a：舵机系统液压马达角位移(rad)；

1.4)加载系统输出力矩为：

T＝G_s(θ_L-θ_a) (5)

T：加载系统输出力矩(N·m)；

1.5)加载系统输出力矩误差为：

e＝T-T_r (6)

T_r：加载系统力矩参考指令，其是一阶连续(N·m)；

e：加载系统力矩误差(N·m)；

结合(1)-(5)给定的加载系统数学模型，可得：

这里，G_L1(s)＝D_LK_qLG_svL(s)

其中，K_tmL＝K_cL+C_slL。

2)接着，对被测位置伺服系统10进行建模。

2.1)位置伺服系统中伺服阀11的流量方程：

其线性化方程为：

Q_a＝K_qax_a-K_cap_fa＝K_qaG_sva(s)u_a-K_cap_fa (9)

Q_a：位置伺服系统伺服阀11的流量(m³/s)；

C_va：位置伺服系统节流孔流量系数；

W_a：位置伺服系统伺服阀11的节流孔面积梯度(m)；

x_a：位置伺服系统伺服阀11的阀芯开口(m)；

u_a：位置伺服系统伺服阀11的控制电压(V)；

G_sva(s)：位置伺服系统伺服阀11的阀芯位移驱动传递函数(m/V)；

p_sa：位置伺服系统油源供油压力(N/m²)；

p_fa：位置伺服系统负载压差(N/m²)；

ρ_a：位置伺服系统液压油密度(Kg/m³)；

K_qa：位置伺服系统伺服阀11的流量系数(m²/s)；

K_ca：位置伺服系统伺服阀11的流量压力系数(m⁵/N·s)；

2.2)当位置伺服系统中的执行机构为液压马达时，液压马达流量连续方程：

D_a：液压马达弧度排量(m³/rad)；

V_a：液压马达控制容积(m³)；

C_sla：液压马达泄漏系数(m⁵/N·s)；

2.3)液压马达转子力矩平衡方程：

J_a：液压马达及舵面等组件等效转动惯量(Kg·m²)；

B_a：液压马达粘性阻尼系数(N·m·s/rad)；

结合(8)-(11)给定的位置伺服系统10的数学模型，可得：

这里，G_a1(s)＝D_aK_qaG_sva(s)

其中，K_tma＝K_ca+C_sla。

从上述数学模型可以看出，位置伺服系统10的运动对加载系统30的干扰是速度的函数。

参见图2所示，为本发明的加载系统30的结构框图。

由于被测位置伺服系统10的速度扰动的存在，导致传统的PID控制效果往往不好。因而现有技术中通过被测位置伺服系统10的速度进行前馈控制来达到消除运动扰动的目的。

理论上，干扰的前馈补偿环节G_v(s)只要满足等式：G_L2(s)＝G_v(s)G_L1(s)就可以消除舵机速度干扰对于加载系统输出的影响。但实际上由于G_v(s)存在舵机角度的高阶微分、模型误差、伺服阀的动态特性、非线性和参数时变等因素，使得G_v(s)的设计和工程实现比较困难，故在实际中结构不变性通常将补偿环节简化为常数。此时G_v(s)中由中、高频造成相位超前补偿效果将被忽略，从而只能在速度干扰产生后进行补偿，从而会在中、高频运动干扰的补偿中产生相位的滞后效果，将极大影响加载系统的抗扰能力。

另一方面，由于舵机位置传感器的精度和安装间隙等问题，其角度微分所得到速度信号(含噪声)滤波后将造成更大滞后的效果，从而进一步限制了运动扰动的消除效果。

参见附图3所示，为本发明的负载模拟器的速度同步控制系统的第一实施方式的结构框图。

为了消除位置伺服系统10的运动对加载系统30的影响，将控制位置伺服系统10中的伺服阀11的电流信号u施加到加载系统30的加载伺服阀31，使得加载液压马达32输出的力或力矩经惯性负载20施加到位置伺服系统10。

然而，在大量实验的基础上发现：本实施方式能对小力矩跟踪中产生很好的速度补偿效果，但在大、中等力矩跟踪时，其速度补偿能力以及力矩跟踪效果将受很大影响。

参见附图4所示，为本发明的负载模拟器的速度同步控制系统的第二实施方式的结构框图。

为了在大、中力矩情况下获得良好的跟踪效果，本实施方式在第一实施方式的基础上，在控制加载伺服阀32时，引入了位置伺服系统中执行机构的两个液压腔的压差信号P_f。

用被测位置伺服系统中执行机构的两个液压腔的压差信号P_f来控制加载系统30的加载伺服阀31，进而控制加载液压马达32输出相应的力或力矩，可以使得加载液压马达32输出的力或力矩经惯性负载20施加到位置伺服系统10，并且更好的消除被测位置伺服系统10本身的速度干扰。

由公式(9)及公式(10)可得位置伺服系统10的速度的表达式：

式中：

故加载系统30输出力矩为：

若新型的速度同步补偿环节取为：

式中：

即可得到：

式中：u_c是加载系统基于误差的闭环控制器，U_L与U_pcom的位置如图4所示。

然而，有的位置伺服系统10本身无法提供两个液压腔的压差信号P_f。为了利用压差信号P_f来控制加载系统30的加载伺服阀31，需要额外的传感器进行压差信号P_f的采集，这样在某种程度上而言，是非常不便的。

为了改善这种不便，参见附图5所示，提出了本发明第三实施方式。

第三实施方式与第二实施方式相比，其区别在于，采用加载系统30输出的力矩T作为反馈信号代替压差信号P_f，来控制加载系统30的加载伺服阀31。

由于力矩T为输出信号，直接将其引作反馈信号，不需要额外增加传感器。

从公式(7)与公式(12)可得：

若速度同步补偿环节取为：

式中：

即可得到加载系统的控制量为：

u_L＝u_c+u_com＝u_c+G_com1(s)·u_a-G_com2(s)·T (22)

将式24代入式22可得：

此时加载系统30输出的力或力矩将不受位置伺服系统10的干扰。

参见图6所示，为本发明的负载模拟器的速度同步控制方法。

本实施方式的负载模拟器的速度同步控制方法包括：

S10：惯性负载20模拟被测位置伺服系统10在实际工作中的转动惯量；

S20：加载系统30模拟位置伺服系统在实际工作时所受的力或力矩，并将力或力矩通过惯性负载20加载到被测位置伺服系统10。

作为一种实施方式，步骤S10可以包括：

位置伺服系统10的伺服阀11根据控制指令控制位置液压马达12输出力或力矩信号。

步骤S20可以包括：

S21：加载系统30的加载伺服阀31根据被测位置伺服系统的伺服阀11的电流信号控制加载系统30的加载液压马达32，使得加载液压马达32输出的力或力矩经惯性负载20施加到被测位置伺服系统10。

作为一种优选方案，步骤S20还可以包括：

S211：加载伺服阀31根据位置系统两腔压差信号来控制加载液压马达32，使得加载液压马达32输出的力或力矩信号经惯性负载20施加到被测位置伺服系统10。

其中，位置系统两腔压差信号为位置伺服系统执行机构的两腔压力差。

作为一种优选方案，步骤S20还可以包括：

S212：加载伺服阀还根据加载液压马达输出的力矩信号控制加载液压马达，使得加载液压马达输出的力或力矩信号经惯性负载20施加到被测位置伺服系统10。

采用本发明的负载模拟器的速度同步控制系统和负载模拟器的速度同步控制方法，能有效避免基于速度反馈信号的结构不变性方法对高品质速度及加速度信号的要求，并能有效的解决传统速度同步方法在大、中负载下消扰能力变差的问题。

上面对本发明的一些实施方式进行了详细的描述。如本领域的普通技术人员所能理解的，本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算设备(包括处理器、存储介质等)或者计算设备的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在了解本发明的内容的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的，因此不需在此具体说明。

此外，显而易见的是，在上面的说明中涉及到可能的外部操作的时候，无疑要使用与任何计算设备相连的任何显示设备和任何输入设备相应的接口和控制程序。总而言之，计算机、计算机系统或者计算机网络中的相关硬件、软件和实现本发明的前述方法中的各种操作的硬件、固件、软件或者它们的组合，即构成本发明的设备及其各组成部件。

因此，基于上述理解，本发明的目的还可以通过在任何信息处理设备上运行一个程序或者一组程序来实现。所述信息处理设备可以是公知的通用设备。因此，本发明的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者设备的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本发明，并且存储或者传输这样的程序产品的介质也构成本发明。显然，所述存储或者传输介质可以是本领域技术人员已知的，或者将来所开发出来的任何类型的存储或者传输介质，因此也没有必要在此对各种存储或者传输介质一一列举。

在本发明的设备和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。还需要指出的是，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (6)

1.一种负载模拟器的速度同步控制系统，其特征在于，包括加载系统、惯性负载和被测位置伺服系统；其中：

所述惯性负载用于模拟所述被测位置伺服系统在实际工作中的转动惯量；

所述加载系统用于模拟所述被测位置伺服系统在实际工作时所受的力或力矩，并将所述力或力矩通过惯性负载加载到所述被测位置伺服系统；

所述加载系统包括加载伺服阀和加载液压马达；

所述加载伺服阀还用于根据所述被测位置伺服系统的执行机构的两腔压差信号控制所述加载液压马达，使得所述加载液压马达输出的力或力矩经所述惯性负载施加到所述被测位置伺服系统。

2.根据权利要求1所述的负载模拟器的速度同步控制系统，其特征在于：

所述加载伺服阀用于根据所述被测位置伺服系统中的伺服阀的电流信号控制所述加载液压马达，使得所述加载液压马达输出的力或力矩经所述惯性负载施加到所述被测位置伺服系统。

3.根据权利要求2所述的负载模拟器的速度同步控制系统，其特征在于：

所述加载伺服阀还用于根据所述加载液压马达输出的力矩信号控制所述加载液压马达，使得所述加载液压马达输出的力或力矩经所述惯性负载施加到所述被测位置伺服系统。

4.一种负载模拟器的速度同步控制方法，其特征在于，包括：

惯性负载模拟被测位置伺服系统在实际工作中的转动惯量；

加载系统模拟被测位置伺服系统在实际工作时所受的力或力矩，并将力或力矩通过惯性负载加载到被测位置伺服系统；

所述“加载系统模拟被测位置伺服系统在实际工作时所受的力或力矩，并将力或力矩通过惯性负载加载到被测位置伺服系统”还包括：

加载伺服阀根据被测位置伺服系统的执行机构的两腔压差信号控制加载液压马达，使得加载液压马达输出的力或力矩信号经所述惯性负载施加到被测位置伺服系统。

5.根据权利要求4所述的负载模拟器的速度同步控制方法，其特征在于：

所述“加载系统模拟被测位置伺服系统在实际工作时所受的力或力矩，并将力或力矩通过惯性负载加载到被测位置伺服系统”包括：

加载系统的加载伺服阀根据被测位置伺服系统中的伺服阀的电流信号控制加载系统的加载液压马达，使得所述加载液压马达输出的力或力矩经所述惯性负载施加到所述被测位置伺服系统。

6.根据权利要求5所述的负载模拟器的速度同步控制方法，其特征在于，所述“加载系统模拟被测位置伺服系统在实际工作时所受的力或力矩，并将力或力矩通过惯性负载加载到被测位置伺服系统”还包括：

加载伺服阀还根据加载液压马达输出的力矩信号控制加载液压马达，使得加载液压马达输出的力或力矩信号通过惯性负载加载到被测位置伺服系统。