CN103900818A - 复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统及方法。实心圆盘模拟实际的风力机风轮，将加载在圆盘上的静压油腔压力作为输出控制量，分别进行控制。控制方式为根据圆盘需要的加载力使滑阀阀芯产生相应位移，从而改变加载在圆盘上液压的压力值。在圆盘的轴向上，左侧有8个通过轴向静压轴承向圆盘左侧施加负载力的压力控制口；右侧对称布置8个分别来自同样8个全桥液阻网络的压力控制口。径向上，圆环对称分布4对全桥液阻网络的输出控制端，通过径向静压轴承向圆盘径向施加指向圆心的负载力。本发明不仅完全实现了静压油腔加载单元的控制，同时还舍去了传统加载装置所使用的液压缸，大大地简化了系统的结构并降低了控制的难度。

Description

复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统及方法

技术领域

本发明涉及风力机实验平台的力和力矩加载单元的的加载实现方法和装置。

背景技术

风力机的工作环境通常较为恶劣，运行工况较为复杂，机组常常在运行过程中出现各类问题，如齿轮箱轴承失效，风力机桨叶断裂等故障。为此，在设计制造机组时，需要全面考虑衡量实际运行条件，并根据真实工作状态对机组进行风力载荷的加载和测试，并根据测试实验结果改进设计，以期提高设计制造的可靠性和机组的使用寿命。

目前，现有的风力机载荷的加载测试方法和装置主要采用背靠背式的电机拖动加载方式，该方式仅仅能模拟测试风轮旋转的单自由度扭矩载荷，无法模拟和真实再现机组实际运行中受到的多自由度载荷。

其他风力机载荷加载实验平台多采用液压缸加载方式。通过设置数个水平或铅直液压缸并控制各个液压缸的出力大小来合成并复现机组所受到的多方向的载荷，该类装置及其加载方式需安装静压止推轴承或径向轴承以实现液压缸加载活塞杆的浮动加载，此类装置虽然能完成载荷再现和测试，但需要配备液压供油和润滑系统，这样导致整个加载装置体积庞大，成本高昂，且加载控制的效果不好。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载装置与方法，将风力机的五自由度载荷分解到单个加载器上，以得到单个加载器的需要再现的加载力矢量，分别将轴向的8个和径向上的4个对称分布的加载器的共12个合力视为需求解的合成力矢量，该合成力矢量的符号确定实际动作的加载器，加载盘共作用有十二个合成力矢量，而这些力矢量再合成获得五自由度载荷，即仅有五个载荷约束方程，却有十二个未知量，为静不定方程组，为解该静不定方程组，增设七自由度虚拟载荷，构成十二个载荷约束方程，以获得确定的十二个合成力矢量。

定义沿X轴正向和逆向合成的轴向单位加载力矢量为F_ai=F_ari-F_ali，其中i=1…8；定义径向单位加载力矢量为F_rj=F_ruj-F_rdj，其中j=1...4。可得加载力约束方程组为

根据上述定义，得到所述的五个载荷约束方程：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=F_{a1}+F_{a2}+F_{a3}+F_{a4}+F_{a5}+F_{a6}+F_{a7}+F_{a8}\\ M_y=(F_{a1}-F_{a5})r+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{a2}+F_{a8}-F_{a4}-F_{a6})r\\ M_z=(F_{a3}-F_{a7})r+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{a2}+F_{a4}-F_{a6}-F_{a8})r\\ F_y=F_{r3}+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{r2}+F_{r4})\\ F_z=F_{r1}+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{r2}-F_{r4})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，r为轴向加载器分布圆半径；定义七自由度虚拟载荷为

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{v1}=F_{a4}+F_{a5}\\ L_{v2}=F_{a5}+F_{a6}\\ L_{v3}=F_{a6}+F_{a7}\\ L_{v4}=F_{a7}+F_{a8}\\ L_{v5}=F_{a8}+F_{r1}+F_{r2}\\ L_{v6}=F_{r3}+F_{r4}\\ L_{v7}=F_{r2}-\frac{1}{2}(F_{r1}+F_{r3})\end{array}\right.---\left(2\right)$

令 $\begin{array}{c}M={\left[\begin{array}{cccccccccccc}{F}_x& M_y& M_z& F_y& F_z& L_{v1}& L_{v2}& L_{v3}& L_{v4}& L_{v5}& L_{v6}& L_{v7}\end{array}\right]}^T\\ F={\left[\begin{array}{cccccccccccc}{F}_{a1}& F_{a2}& F_{a3}& F_{a4}& F_{a5}& F_{a6}& F_{a7}& F_{a8}& F_{r1}& F_{r2}& F_{r3}& F_{r4}\end{array}\right]}^T\end{array}$                (3)

则联立式(3)(4)(5)，可得到矩阵表达式为

$\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ M_y\\ M_z\\ F_y\\ F_z\\ L_{v1}\\ L_{v2}\\ L_{v3}\\ L_{v4}\\ L_{v5}\\ L_{v6}\\ L_{v7}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 1& \sqrt{2}/2^r& 0& -\sqrt{2}/2^r& -r& -\sqrt{2}/2^r& 0& \sqrt{2}/2^r& 0& 0& 0& 0\\ 0& \sqrt{2}/2^r& r& \sqrt{2}/{2^{}}^r& 0& -\sqrt{2}/2^r& -r& -\sqrt{2}/2^r& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& \sqrt{2}/2& 1& \sqrt{2}/2\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& \sqrt{2}/2& 0& -\sqrt{2}/2\\ 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& -1/2& 1& -1/2& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{F}_{a1}\\ F_{a2}\\ F_{a3}\\ F_{a4}\\ F_{a5}\\ F_{a6}\\ F_{a7}\\ F_{a8}\\ F_{r1}\\ F_{r2}\\ F_{r3}\\ F_{r4}\end{array}\right]---\left(4\right)$

上式写成： $M=\mathrm{AF}\⇒F=A^{-1}M,$

其中，定义12行12列的方阵A为加载力合成方阵，而其逆阵A^-1定义为加载力分解方阵，然后根据式（4）获得确定的十二个合成力矢量。

一种复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载装置，它包括电液比例滑阀、位移传感器、液压加载盘、环形加载装置、进油口、压力容腔、排油口、压力传感器、定压泵、定压阀、控制器，径向上液压加载盘周向套有一个设有对称分布的八个压力容腔的环形加载装置，八个压力容腔分为4对，每对由绕加载盘对称分布的两个组成，分别由四个电液比例滑阀进行控制，定压泵与定压阀相连，向所述的电液比例滑阀通过进油口提供恒定压力的液压油，液压油从排油口排出，每个压力容腔的进油口设有压力传感器，检测压力容腔的压力值，并传给控制器，控制器将力传感器传给的压力值与给定值相比较得出偏差，通过位移传感器控制电液比例滑阀的阀芯的位移，直到压力传感器测得的压力值与给定压力值相等为止；所述的电液比例滑阀、定压泵、进油口、压力容腔、排油口构成了全桥液阻网络；所述的静压油腔加载系统采用闭式回路，油液循环使用。

一种所述的复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的控制方法，

1）将风力机风轮简化为液压加载盘进行加载，在液压加载盘的轴向和径向共安装12个全桥液阻网络，在液压加载盘的轴向上布置8对全桥液阻网络，径向上布置4对全桥液阻网络，相当于在液压加载盘的左右两端各布置8个液压缸，径向上布置8个液压缸共24个液压缸；

2）全桥液阻网络控制两个进油口，当确定了全桥液阻网络的流量和电液比例滑阀的阀芯的位移后便可确定两个进油口的压力值，压力传感器采集压力值作为反馈送给控制器；

3）通过控制器获得每个全桥液阻网络所需的压力输出值，将此值与压力传感器采集的实际输出压力值进行比较得出偏差，此偏差信号放大后输入到电液比例滑阀中，使电液比例滑阀产生负载压差作用于液压加载盘上，使输出压力向减小误差的方向变化，直至输出力等于指令信号规定的值为止。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1）加载系统的功能全面，实现了5自由度的加载，并能实时控制。对于试验的时间、记录的间隔等一系列问题都可以达到精确控制。

2）采用全桥液阻网络而不是液压缸进行加载，大大减小了加载装置的体积和质量。

3）采用控制阀芯位移的方式直接得到所需的加载压力值，控制方案的制定更加简便。

附图说明

图1为三凸肩四边正开口滑阀的结构原理图；阀芯在中间位置时，各个阀口的预开口量都是同一数值y₀，设阀芯的位移为y，方向如图1所示，当|y|＜y₀时，即滑阀工作在预开口区域以内时，液压缸左腔的压力p₁比右腔的压力p₂大，通过阀口1的流量分2条路径，一条路径是通过阀口4回油箱，另一条路径是进入液压缸左腔，右腔的油和通过阀口2的油液一起从阀口3回油箱，在图1中，阀口1、2、3、4的过流面积都是可调的，且与阀芯的位移y成比例，因此阀口1、2、3、4是4个可变液阻，其中p₀是液阻网络的入口，A口和B口是液阻网络的输出口，T₁和T₂是回油口，改液阻网络是对称结构，左边的阀口1和阀口4、输入口p₀、输出口A正好构成了一个A型半桥，右边的阀口2和阀口3、输入口p₀、输出口B也构成了一个A型半桥，两个A型半桥网络合成一个全桥液阻网络，定义该液阻网络为A+A全桥液阻网络。

图2为A+A型全桥特性曲线示意图；

图3为阀芯位移-压力曲线示意图；

图4为液压加载盘的受力分析原理图；

图5为复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的径向加载的结构示意图；

图6为复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的轴向加载的结构示意图；

图7复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的控制方法的方框图；

图8复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的控制方法的简化后的方框图；图7、8中

U_r―指令电压信号；

U_f—反馈电压信号；

K_fE―力传感器增益；

F_g—液压缸输出力；

K_a―伺服放大器增益

X_V—伺服阀阀芯位移；

K_XV―伺服阀增益

m_t—负载质量

B_p―负载阻尼系数

K—负载弹簧钢度

C_tp―液压缸总泄露系数；

图5、6中，电液比例滑阀1、位移传感器2、液压加载盘3、环形加载装置4、进油口5、压力容腔6、排油口7、压力传感器8、定压泵9、定压阀10、控制器11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

1、复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的方法说明如下：

如图4所示，定义沿X轴正向和逆向合成的轴向单位加载力矢量为F_ai=F_ari-F_ali，其中i=1…8；定义径向单位加载力矢量为F_rj=F_ruj-F_rdj，其中j=1...4。可得加载力约束方程组为:

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=F_{a1}+F_{a2}+F_{a3}+F_{a4}+F_{a5}+F_{a6}+F_{a7}+F_{a8}\\ M_y=(F_{a1}-F_{a5})r+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{a2}+F_{a8}-F_{a4}-F_{a6})r\\ M_z=(F_{a3}-F_{a7})r+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{a2}+F_{a4}-F_{a6}-F_{a8})r\\ F_y=F_{r3}+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{r2}+F_{r4})\\ F_z=F_{r1}+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{r2}-F_{r4})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，r为轴向加载器分布圆半径。定义七自由度虚拟载荷为

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{v1}=F_{a4}+F_{a5}\\ L_{v2}=F_{a5}+F_{a6}\\ L_{v3}=F_{a6}+F_{a7}\\ L_{v4}=F_{a7}+F_{a8}\\ L_{v5}=F_{a8}+F_{r1}+F_{r2}\\ L_{v6}=F_{r3}+F_{r4}\\ L_{v7}=F_{r2}-\frac{1}{2}(F_{r1}+F_{r3})\end{array}\right.---\left(2\right)$

令 $\begin{array}{c}M={\left[\begin{array}{cccccccccccc}{F}_x& M_y& M_z& F_y& F_z& L_{v1}& L_{v2}& L_{v3}& L_{v4}& L_{v5}& L_{v6}& L_{v7}\end{array}\right]}^T\\ F={\left[\begin{array}{cccccccccccc}{F}_{a1}& F_{a2}& F_{a3}& F_{a4}& F_{a5}& F_{a6}& F_{a7}& F_{a8}& F_{r1}& F_{r2}& F_{r3}& F_{r4}\end{array}\right]}^T\end{array}---\left(3\right)$

则联立式(1)(2)(3)可得到矩阵表达式为

$\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ M_y\\ M_z\\ F_y\\ F_z\\ L_{v1}\\ L_{v2}\\ L_{v3}\\ L_{v4}\\ L_{v5}\\ L_{v6}\\ L_{v7}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 1& \sqrt{2}/2^r& 0& -\sqrt{2}/2^r& -r& -\sqrt{2}/2^r& 0& \sqrt{2}/2^r& 0& 0& 0& 0\\ 0& \sqrt{2}/2^r& r& \sqrt{2}/{2^{}}^r& 0& -\sqrt{2}/2^r& -r& -\sqrt{2}/2^r& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& \sqrt{2}/2& 1& \sqrt{2}/2\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& \sqrt{2}/2& 0& -\sqrt{2}/2\\ 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& -1/2& 1& -1/2& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{F}_{a1}\\ F_{a2}\\ F_{a3}\\ F_{a4}\\ F_{a5}\\ F_{a6}\\ F_{a7}\\ F_{a8}\\ F_{r1}\\ F_{r2}\\ F_{r3}\\ F_{r4}\end{array}\right]---\left(4\right)$

上式可写成： $M=\mathrm{AF}\⇒F=A^{-1}M$

其中，定义12行12列的方阵A为加载力合成方阵，而其逆阵A^-1定义为加载力分解方阵。

$\begin{array}{c}\end{array}\left[\begin{array}{cccccccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 1& \sqrt{2}/2^r& 0& -\sqrt{2}/2^r& -r& -\sqrt{2}/2^r& 0& \sqrt{2}/2^r& 0& 0& 0& 0\\ 0& \sqrt{2}/2^r& r& \sqrt{2}/{2^{}}^r& 0& -\sqrt{2}/2^r& -r& -\sqrt{2}/2^r& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& \sqrt{2}/2& 1& \sqrt{2}/2\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& \sqrt{2}/2& 0& -\sqrt{2}/2\\ 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& -1/2& 1& -1/2& 0\end{array}\right]---\left(5\right)$

2、复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的结构说明

本发明受到静压轴承支撑技术的启发，直接用压力容腔取代液压缸对加载盘进行加载，径向装置如图5所示，液压加载盘3周向套有一个设有对称分布的八个压力容腔6的环形加载装置4，八个压力容腔分为4对，每对由绕加载盘3对称分布的两个组成，分别由四个电液比例滑阀1进行控制，定压泵9与定压阀10相连，向所述的电液比例滑阀1通过进油口5提供恒定压力的液压油，液压油从排油口7排出，每个压力容腔的进油口5设有压力传感器8，检测压力容腔的压力值，并传给控制器11，控制器11将力传感器8传给的压力值与给定值相比较得出偏差，通过位移传感器2控制电液比例滑阀1的阀芯的位移，直到压力传感器2测得的压力值与给定压力值相等为止；所述的电液比例滑阀1、定压泵9、进油口5、压力容腔6、排油口7构成了全桥液阻网络；

轴向装置如图6所示，

3、复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的控制方法说明

3.1全桥压力容腔控制

图1为全桥压力控制示意图，图2为其等效电路图。

如图1空载即p_L＝0时，p₁＝p₂＝p₀/2时流量压力方程为：

$q_{\mathrm{VL}}=b(y_0+y)\sqrt{\frac{p_0-p_L}{2}}-b(y_0-y)\sqrt{\frac{p_0+p_L}{2}}---\left(1\right)$

以恒压进油压力p₀为控制压力的参考量，控制流量的参考量按最大流量计算，即R₂阀口全关，y＝y₀，负载压力p_L＝0，而控制阀口p₁和p₂的压力为p₀/2，此时

$q_{V\max }=b(y_0+y_0)\sqrt{p_0-\frac{p_0}{2}}=\sqrt{2}b{y}_0\sqrt{p_0}---\left(2\right)$

将式（1）两边分别除以q_Vmax和

,则有

$\frac{q_{\mathrm{VL}}}{q_{V\max }}=\frac{1}{2}(1+\frac{y}{y_0})\sqrt{1-\frac{p_L}{p_0}}-\frac{1}{2}(1-\frac{y}{y_0})\sqrt{1+\frac{p_L}{p_0}}---\left(3\right)$

令 $\stackrel{\‾}{y}=y/y_0,{\stackrel{\‾}{q}}_{\mathrm{VL}}=q_{\mathrm{VL}}/q_{\mathrm{VL}\max },{\stackrel{\‾}{p}}_L=p_L/p_0,$ 则式（3）变成

${\stackrel{\‾}{q}}_{\mathrm{VL}}=\frac{1}{2}(1+\stackrel{\‾}{y})\sqrt{1-{\stackrel{\‾}{p}}_L}-\frac{1}{2}(1-\stackrel{\‾}{y})\sqrt{1+{\stackrel{\‾}{p}}_L}---\left(4\right)$

式（4）是全桥液阻网络的量纲—的压力流量公式。根据此方程可得图3所示的曲线。

3.2采用直接液压容腔加载控制方法

图4显示了质量盘上力加载的位置和数量，左右相对应的两个加载力组成一对，作为全桥液组网络的输出端。通过对输出端输出一定的压力实现对加载盘5个自由度的加载。

图7为复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的控制方法的方框图，通过控制器中加载力和力矩的分解计算算法求得每个A+A型全桥液阻网络所需的压力输出值，将此值与压力传感器采集的实际输出压力值进行比较得出偏差。此偏差信号经伺服放大器放大后输入到伺服阀中，使伺服阀产生负载压差作用于加载圆盘上，使输出压力向减小误差的方向变化，直至输出力等于指令信号规定的值为止。

控制系统基本方程和传递函数

在图7中：

偏差电压信号为：

U_e＝U_r-U_f        （5）

力传感器方程为

U_f＝K_fFF_g         （6）

忽略伺服放大器的动态，其输出电流为

ΔI＝K_aU_e        （7）

伺服传递函数为

$\frac{X_v}{\mathrm{\ΔI}}=K_{\mathrm{xv}}{G}_{\mathrm{sv}}\left(s\right)---\left(8\right)$

$\left.\begin{array}{c}{Q}_L=K_q{X}_v-K_c{p}_L\\ Q_L=A_{p}s{X}_p+C_{\mathrm{tp}}{p}_L+\frac{V_t}{4{\mathrm{\β}}_e}s{p}_L\\ F_g=A_p{P}_L=m_t{s}^2{X}_p+B_{p}s{X}_p+{\mathrm{KX}}_p\end{array}\right\}---\left(9\right)$

由（5）～（9）可得：

$\frac{F_g}{X_v}=\frac{\frac{K_q}{A_p}(\frac{m_t}{K}{s}^2+\frac{B_p}{K}s+1)}{\frac{V_t{m}_t}{4{\mathrm{\β}}_e{A}_p^2}{s}^3+(\frac{K_{\mathrm{ce}}{m}_t}{A_p^2}+\frac{V_t{B}_p}{4{\mathrm{\β}}_e{A}_p^2})s^2+(1+\frac{K_{\mathrm{ce}}{m}_t}{A_p^2}+\frac{V_t{B}_p}{4{\mathrm{\β}}_e{A}_p^2})s+\frac{K_{\mathrm{ce}}K}{A_p^2}}---\left(10\right)$

忽略负载的阻尼系数B_p，将（10）简化可得：

$\frac{F_g}{X_v}=\frac{\frac{K_q}{K_{\mathrm{ce}}}{A}_p(\frac{m_t}{K}{s}^2+1)}{\frac{A_p^2{m}_t}{K_{\mathrm{ce}}{K}_{h}K}{s}^3+\frac{m_t}{K}{s}^2(\frac{A_p^2}{{\mathrm{KK}}_{\mathrm{ce}}}+\frac{A_p^2}{K_{\mathrm{ce}}{K}_h})s+1}---\left(11\right)$

式中K_h—液压弹簧刚度,

如果满足 $[\frac{K_{\mathrm{ce}}\sqrt{K{m}_t}}{A_p^2(1+K/K_h)}{]}^2<<1$

则（11）可近似写成

$\frac{F_g}{X_v}=\frac{\frac{K_q}{K_{\mathrm{ce}}}{A}_p(\frac{s^2}{{\mathrm{\&omega;}}_m^2}+1)}{(\frac{s}{{\mathrm{\&omega;}}_r}+1)(\frac{s^2}{{\mathrm{\&omega;}}_0^2}+\frac{2{\mathrm{\&zeta;}}_0}{{\mathrm{\&omega;}}_0}s+1)}---\left(12\right)$

式中ω_m―负载的固有频率，

ω_r—液压弹簧与负载弹簧串联耦合的刚度和阻尼系数比，

${\mathrm{\&omega;}}_r=\frac{K_{\mathrm{ce}}}{A_p^2}/(\frac{1}{K_h}+\frac{1}{K});$

ω₀―液压弹簧与负载弹簧并联耦合的刚度与负载质量形成的固有频率。

${\mathrm{\&omega;}}_0={\mathrm{\&omega;}}_h\sqrt{1+\frac{K}{K_h}}={\mathrm{\&omega;}}_m\sqrt{1+\frac{K_h}{K}};$

ξ₀—阻尼比， ${\mathrm{\&xi;}}_0=\frac{1}{2{\mathrm{\&omega;}}_0}\frac{4{\mathrm{\&beta;}}_e{K}_{\mathrm{ce}}}{V_t[1+(K/K_h)]}$

K_q/K_ce―总压力增益。

根据（12），简化后的方框图如图8所示。则开环传递函数为

$G\left(s\right)H\left(s\right)=\frac{K_0{G}_{\mathrm{sv}}(\frac{s^2}{{\mathrm{\&omega;}}_m^2}+1)}{(\frac{s}{{\mathrm{\&omega;}}_r}+1)(\frac{s^2}{{\mathrm{\&omega;}}_0^2}+\frac{2{\mathrm{\&xi;}}_0}{{\mathrm{\&omega;}}_0}s+1)}---\left(13\right)$

式中K₀—系统的开环增益，

$K_0=K_a{K}_{\mathrm{xv}}\frac{K_q}{K_{\mathrm{ce}}}{A}_p{K}_{\mathrm{fF}}---\left(14\right)$

本发明依据的原理如下

如图4所示，通过给质量盘上设置24个力加载口实现对5自由度加载力的输入控制。通过简化建立起24个力与5自由度的加载力之间的对应关系算法，储存在控制器中。实验时输入加载力的曲线到控制器中，控制器根据输入数据计算出24个加载口的力。

如图5和图6所示，24个加载口分为12对，分别由12个A+A型全桥液组网络控制。根据公式（4），对于全桥液组网络，液压油流量、阀芯位移和输出压力之间是一一对应的关系。因此可以通过移动阀芯的位移实现压力控制。在压力输出口处安装力传感器，将测得的反馈压力值与所需压力值比较得出偏差，此偏差信号经伺服放大器放大后输入到伺服阀中，使伺服阀产生负载压差作用于加载圆盘上，使得输出压力向误差减小的方向变化，直至输出力等于指令信号规定的值为止。

Claims (4)

1.一种复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的方法，其特征在于，将风力机的五自由度载荷分解到单个加载器上，以得到单个加载器的需要再现的加载力矢量，分别将轴向的8个和径向上的4个对称分布的加载器的共12个合力视为需求解的合成力矢量，该合成力矢量的符号确定实际动作的加载器，加载盘共作用有十二个合成力矢量，而这些力矢量再合成获得五自由度载荷，即仅有五个载荷约束方程，却有十二个未知量，为静不定方程组，为解该静不定方程组，增设七自由度虚拟载荷，构成十二个载荷约束方程，以获得确定的十二个合成力矢量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，定义沿X轴正向和逆向合成的轴向单位加载力矢量为F_ai=F_ari-F_ali，其中i=1…8，定义径向单位加载力矢量为F_rj=F_ruj-F_rdj，其中j=1...4，根据上述定义，得到所述的五个载荷约束方程：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=F_{a1}+F_{a2}+F_{a3}+F_{a4}+F_{a5}+F_{a6}+F_{a7}+F_{a8}\\ M_y=(F_{a1}-F_{a5})r+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{a2}+F_{a8}-F_{a4}-F_{a6})r\\ M_z=(F_{a3}-F_{a7})r+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{a2}+F_{a4}-F_{a6}-F_{a8})r\\ F_y=F_{r3}+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{r2}+F_{r4})\\ F_z=F_{r1}+\frac{\sqrt{2}}{2}(F_{r2}-F_{r4})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，r为轴向加载器分布圆半径；定义七自由度虚拟载荷为

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{v1}=F_{a4}+F_{a5}\\ L_{v2}=F_{a5}+F_{a6}\\ L_{v3}=F_{a6}+F_{a7}\\ L_{v4}=F_{a7}+F_{a8}\\ L_{v5}=F_{a8}+F_{r1}+F_{r2}\\ L_{v6}=F_{r3}+F_{r4}\\ L_{v7}=F_{r2}-\frac{1}{2}(F_{r1}+F_{r3})\end{array}\right.---\left(2\right)$

令

M＝[F_x M_y M_z F_y F_z L_v1 L_v2 L_v3 L_v4 L_v5 L_v6 L_v7]^T            （3）

F＝[F_a1 F_a2 F_a3 F_a4 F_a5 F_a6 F_a7 F_a8 F_r1 F_r2 F_r3 F_r4]^T

则联立式(3)(4)(5)，可得到矩阵表达式为

$\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ M_y\\ M_z\\ F_y\\ F_z\\ L_{v1}\\ L_{v2}\\ L_{v3}\\ L_{v4}\\ L_{v5}\\ L_{v6}\\ L_{v7}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 1& \sqrt{2}/2^r& 0& -\sqrt{2}/2^r& -r& -\sqrt{2}/2^r& 0& \sqrt{2}/2^r& 0& 0& 0& 0\\ 0& \sqrt{2}/2^r& r& \sqrt{2}/{2^{}}^r& 0& -\sqrt{2}/2^r& -r& -\sqrt{2}/2^r& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& \sqrt{2}/2& 1& \sqrt{2}/2\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& \sqrt{2}/2& 0& -\sqrt{2}/2\\ 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& -1/2& 1& -1/2& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{F}_{a1}\\ F_{a2}\\ F_{a3}\\ F_{a4}\\ F_{a5}\\ F_{a6}\\ F_{a7}\\ F_{a8}\\ F_{r1}\\ F_{r2}\\ F_{r3}\\ F_{r4}\end{array}\right]---\left(4\right)$

上式写成： $M=\mathrm{AF}\&DoubleRightArrow;F=A^{-1}M$

其中，定义12行12列的方阵A为加载力合成方阵，而其逆阵A^-1定义为加载力分解方阵，然后根据式（4）获得确定的十二个合成力矢量。

3.一种复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统，其特征在于，它包括电液比例滑阀、位移传感器、液压加载盘、环形加载装置、进油口、压力容腔、排油口、压力传感器、定压泵、定压阀、控制器，径向上液压加载盘周向套有一个设有对称分布的八个压力容腔的环形加载装置，八个压力容腔分为4对，每对由绕加载盘对称分布的两个组成，分别由四个电液比例滑阀进行控制，定压泵与定压阀相连，向所述的电液比例滑阀通过进油口提供恒定压力的液压油，液压油从排油口排出，每个压力容腔的进油口设有压力传感器，检测压力容腔的压力值，并传给控制器，控制器将力传感器传给的压力值与给定值相比较得出偏差，通过位移传感器控制电液比例滑阀的阀芯的位移，直到压力传感器测得的压力值与给定压力值相等为止；所述的电液比例滑阀、定压泵、进油口、压力容腔、排油口构成了全桥液阻网络；所述的静压油腔加载系统采用闭式回路，油液循环使用。

4.一种根据权利要求3所述的复现风力机五自由度载荷的静压油腔加载系统的控制方法，其特征在于，

1）将风力机风轮简化为液压加载盘进行加载，在液压加载盘的轴向和径向共安装12个全桥液阻网络，在液压加载盘的轴向上布置8对全桥液阻网络，径向上布置4对全桥液阻网络，相当于在液压加载盘的左右两端各布置8个液压缸，径向上布置8个液压缸共24个液压缸；

2）全桥液阻网络控制两个进油口，等价于一对液压缸，当确定了全桥液阻网络的流量和电液比例滑阀的阀芯的位移后便可确定两个进油口的压力值，压力传感器采集压力值作为反馈值送给控制器；

3）通过控制器获得每个全桥液阻网络所需的压力输出值，将此值与压力传感器采集的实际输出压力值进行比较得出偏差，此偏差信号放大后输入到电液比例滑阀中，使电液比例滑阀产生负载压差作用于液压加载盘上，使输出压力向减小误差的方向变化，直至输出力等于指令信号规定的值为止。

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