CN104564915A - 泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法 - Google Patents

泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法，对泵阀复合双自由度电液运动加载系统进行加载控制，通过速度指令规划器对速度伺服子系统和压力伺服子系统的独立协调控制实现对加载作动器速度和输出力的双自由度伺服控制，速度控制器根据速度指令规划器生成的速度参考指令控制电机的转速，通过调节加载阀的阀芯位移实现对加载作动器的A腔和B腔压力的控制，进而实现对加载作动器输出力的控制，使之等于加载指令。发明实现了对舵机运动干扰的物理解耦，具有加载精度高、能量效率高的特点，特别适用于大功率加载场合。

Description

泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法
技术领域
本发明属于仿真技术领域，具体涉及一种用于半实物仿真实验的泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法。
背景技术
战斗机在飞行过程以及姿态调节过程中，舵面要承受巨大的空气阻力，在战机舵机系统研制阶段需要对舵机系统进行模拟加载实验，特别是需要在舵机动作过程中对其进行加载。电液负载模拟器作为实物仿真实验的关键设备之一，其主要功能是对舵机进行加载，在实验室条件下模拟舵机系统的真实工况，以此考核舵机的带载性能、结构强度以及飞控算法的鲁棒性等。
舵机系统半实物加载仿真实验原理如图1所示，实验系统主要由电液伺服加载系统30和舵机系统29两部分构成，舵机惯量模拟块9用于模拟舵机负载惯量，加载作动器3通过力传感器4与舵机惯量模拟块9相连，舵机控制器7接受舵机位置指令及由位移传感器5反馈回的舵机位移信号，并基于相应的控制算法生成控制信号驱动舵机阀8，实现对舵机作动器6的位置控制；加载控制器2根据力指令及力传感器4反馈的力信号，基于相应的力控算法生成控制量控制加载阀1，实现对加载作动器3输出力的控制。舵机作动器6跟踪位置指令运动，而电液负载模拟系统则要在舵机的运动过程中对其完成加载任务，因此电液负载模拟器是典型的运动加载系统。
舵机运动势必会对电液负载模拟器的加载精度造成干扰，国内学者习惯将由舵机运动干扰造成的加载误差称为多余力问题。多余力干扰是制约电液负载模拟器性能的核心问题，是实现高精度半实物加载仿真的关键技术问题。
为了抑制多余力干扰，提高电液负载模拟器的加载精度，目前普遍的做法是针对阀控加载系统的研究。例如，利用舵机速度信号进馈补偿，国内外很多电液负载模拟器都采用了这种办法，但这种方法存在补偿滞后的问题，且多余力抑制的效果受舵机运动频率的影响，有一定的局限性。专利CN1216328C提出利用舵机伺服阀的控制信号代替舵机速度，意在解决舵机速度前馈补偿方案存在的补偿滞后问题，但是这种方法仅适用于液压阀控舵机，对电动舵机无法应用，且这种方法的效果对补偿控制器的结构以及参数非常敏感。通过对电液负载模拟器相关研究文献的分析，现存的电液负载模拟技术存在三方面的问题：(1)加载阀1“身兼二职”，既要负责加载系统的运动控制，又要实现对加载指令的跟踪任务。传统电液负载模拟系统的加载阀1既要实现对加载系统负载流量的控制又要实现对压力的控制，由于通过加载阀1的流量与负载压力互相耦合，导致加载误差大、控制性能不理想；(2)绝大多数的电液负载模拟器都单纯的基于阀控节流原理，对于舵机运动速度快而加载指令较小的场合，传统的加载方案存在节流损失大、系统发热严重、系统能量利用效率低等问题；(3)电液负载模拟器大多采用对称作动器(如双出杆对称缸、液压摆动马达等)，和同规格的差动缸对比，对称缸的可用行程短、出力小且成本高。
发明内容
本发明针对上述电液负载模拟技术存在的问题和不足，为了有效解决半实物仿真实验中舵机运动带来的多余力干扰问题，提高半实物加载仿真实验精度，解决传统电液负载模拟系统的发热技术问题，提高加载系统的能量利用效率，提供一种结构紧凑、低节流损失、能量利用效率高的泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法，其对泵阀复合双自由度电液运动加载系统进行加载控制，所述泵阀复合双自由度电液运动加载系统由速度伺服子系统和压力伺服子系统构成，速度伺服子系统包括电机、电机驱动器、液压泵、蓄能器、第Ⅰ液控单向阀、第Ⅱ液控单向阀、第Ⅰ安全阀、第Ⅱ安全阀、加载作动器、转速传感器、速度传感器、速度指令规划器及速度伺服控制器；压力伺服子系统包括加载伺服阀、液压动力源、油箱、加载作动器、加载传感器及加载控制器。泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法通过速度指令规划器对速度伺服子系统和压力伺服子系统的独立协调控制实现对加载作动器速度和输出力的双自由度伺服控制：1)速度指令规划器生成参考指令：速度指令规划器将加载指令做微分运算的结果除以加载传感器的刚度参数，并与被加载对象的运动速度求和得到速度子系统的参考指令；2)速度控制器控制电机的转速：速度控制器根据速度指令规划器生成的速度参考指令控制电机的转速；3)加载作动器的压力控制：通过调节加载阀的阀芯位移，实现对加载作动器的A腔和B腔压力的控制，进而实现对加载作动器输出力的控制，使之等于加载指令。
速度伺服子系统和压力伺服子系统中的加载作动器是单出杆液压缸、双出杆液压缸或液压马达。
速度伺服子系统中的液压泵是通用对称型液压泵或三油口非对称液压泵。
本发明与背景技术相比，具有以下优点：
(1)可有效解决舵机运动引起的多余力干扰问题。对电液负载模拟器而言，多余力问题的根源在于通过加载阀的负载流量与负载压力相互耦合干扰，本发明专门设计一个流量(速度)伺服子系统，用于消除舵机运动引起的强迫流量，解决了传统加载方案存在的问题，可从物理上解耦舵机的运动干扰，改善电液加载系统的伺服性能。
(2)所提控制方法可有效解决速度伺服子系统及力伺服子系统二者之间的协调控制问题。
(3)系统能量利用效率较高。传统的电液加载系统存在很大的节流损失，系统能量利用效率较低，特别是在高速、小载荷模拟场合，加载阀的通流量大且加载阀承载了泵源压力的大部分压降，系统发热严重。实际上，电液加载本身所需的流量是很小的，加载系统绝大部分流量都是用于解耦舵机的运动干扰，本发明采用直接泵控技术按需为加载系统提供流量，极大地降低了加载阀上的节流损耗，显著提高系统的能量利用效率。
(4)方案实施灵活。本发明通过泵转速的调节实现加载系统的速度控制，采用加载阀实现加载输出力的控制，如果加载作动器是对称缸或马达，将非对称泵10改为普通泵，同样可以实现速度和力的双自由度控制。
(5)系统结构紧凑、成本低。可使用差动缸作为加载作动器，和同规格的对称缸相比，具有工作行程大、成本低、结构紧凑的特点；依据差动缸活塞面积比匹配设计的非对称泵，可自动平衡差动缸两个运动方向上的不对称流量，系统结构紧凑。
附图说明
图1是电液负载模拟器工作原理图；
图2是本发明泵阀复合双自由度电液运动加载系统结构示意图。
图中，1-加载阀，2-加载控制器，3-加载作动器，4-力传感器，5-位移传感器，6-舵机作动器，7-舵机控制器，8-舵机阀，9-舵机惯量模拟块，10-非对称泵，11-蓄能器，12-第Ⅰ液控单项阀，13-第Ⅰ安全阀，14-加载作动器，15-速度传感器，16-力传感器，17-加载控制器，18-油箱，19-液压动力源，20-加载控制阀，21-第Ⅱ安全阀，22-第Ⅱ液控单向阀，23-转速传感器，24-电机驱动器，25-速度控制器，26-伺服电机，27-速度指令规划器，28-速度伺服子系统，29-被加载舵机系统，30-电液伺服加载系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的创新在于，基于职能分工的思想对电液负载模拟器的运动加载任务进行分解：目标一是跟踪舵机速度同步运动，解耦舵机主动运动造成的干扰，目标二是实现对加载指令的跟踪任务。针对目标一，采用基于转速调节的泵控速度伺服子系统实现，针对任务二，采用使用独立压力源的阀控压力伺服子系统实现，通过对速度伺服子系统和压力伺服子系统的独立协调控制，实现电液负载模拟器速度和输出力的双自由度控制。本发明不仅可从物理上解耦了舵机的运动干扰，显著改善电液负载模拟器的加载精度，而且可有效解决传统加载系统存在的发热以及能量利用效率低等问题。
如图2所示，当被加载对象是舵机系统时，所述速度伺服子系统是由伺服电机26、电机驱动器24、非对称泵10、蓄能器11、第Ⅰ液控单向阀12、第Ⅱ液控单向阀22、第Ⅰ安全阀13、第Ⅱ安全阀21、加载作动器14、转速传感器23、速度传感器15、速度指令规划器27及速度控制器25构成，其中，非对称泵10具有PA、PB和PT三个工作油口，非对称泵10的PA油口通过管路与加载作动器14的A腔相连，非对称泵10的PB油口通过管路与加载作动器14的B腔相连，非对称泵10的PT油口通过管路与蓄能器11相连，在非对称泵10的PA油口与加载作动器14的A腔连接的管路上引出两条并联的分支油路L1和L2，并将其连接到非对称泵10的PB油口与加载作动器14的B腔连接的油路上，L1分支油路上反向串联第Ⅰ液控单向阀12和第Ⅱ液控单向阀22，L2分支油路上反向串联第Ⅰ安全阀13和第Ⅱ安全阀21，通过管路将分支油路L1反向串联的两个液控单向阀12和22的中部与分支油路L2反向串联的两个安全阀13和21的中部短路，并连接到非对称泵10的PT油口。
所述压力伺服子系统由加载控制阀20、液压动力源19、油箱18、加载作动器14、力传感器16及加载控制器17构成，其中，加载作动器14的A腔在与非对称泵10的PA油口连通的基础上，还与加载控制阀20的A口连通，加载作动器14的B腔在与非对称泵10的PB油口连通的基础上，还与加载控制阀20的B口连通，加载控制阀20的P口通过油路与独立工作的液压动力源19的压力输出口相连，加载控制阀20的T通过油路与油箱18连接。
泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法通过速度指令规划器27对速度伺服子系统28和压力伺服子系统的独立协调控制实现对加载作动器14速度和输出力的双自由度伺服控制：1)速度指令规划器生成参考指令：速度指令规划器将加载指令做微分运算的结果除以加载传感器的刚度参数，并与被加载对象的运动速度求和得到速度子系统的参考指令；2)速度控制器控制电机的转速：速度控制器根据速度指令规划器生成的速度参考指令控制电机的转速；3)加载作动器的压力控制：通过调节加载控制阀的阀芯位移，实现对加载作动器的A腔和B腔压力的控制，进而实现对加载作动器输出力的控制，使之等于加载指令。
所述加载作动器14是非对称缸，所述的非对称泵10是根据加载作动器14活塞面积比匹配设计的，具有三个工作油口，所述伺服电机26是适合速度伺服场合的交流伺服电机，所述的液压动力源19是采用恒定转速交流异步电机驱动定量泵构成的高压小流量独立油源系统。
原动机26采用速度伺服电机，泵10采用定排量非对称泵，加载作动器14采用单出杆差动缸(差动缸面积比与非对称泵匹配设计)，蓄能器11采用隔膜蓄能器，单向阀12和22采用小通径液控单向阀，安全阀13和21采用溢流阀，力传感器16采用基于应变片原理的轮辐式力传感器，加载阀20采用小流量、高频响流量伺服阀，速度控制器17和力控制器25采用简单的PID算法，加载作动器14的活塞杆通过力传感器16与舵机惯量模拟块机械连接。本发明系统实现了对电液负载模拟器速度和输出力的双状态独立与协调控制，物理解耦了舵机主动运动引起的多余力干扰，具有控制精度高、能量利用效率高的特点，特别适合于大功率负载模拟场合。伺服电机26的输出轴与非对称泵10的输入轴机械连接，电机26输出轴上装有转速传感器23，电机驱动器24接收转速传感器23的反馈信号以及速度控制器25的输出信号，对伺服电机26的转速构成内闭环控制，加载作动器14的输出轴上装有速度传感器15，速度控制器25的指令输入端(“+”端)接收速度指令规划器27生成的速度指令，速度控制器25的反馈端(“—”号端)接收速度传感器15反馈回的加载作动器速度信号，速度控制器25基于相应的算法(例如PID控制)生成速度控制信号，对加载作动器14的输出速度构成外闭环控制，速度指令规划器的工作过程为：首先对加载指令进行微分运算，并除以加载传感器16的刚度系数，然后再与舵机的速度信号相加。
假设Fd表示力伺服子系统的参考力指令，Ks表示力传感器刚度，xL和xA分别表示加载作动器和舵机作动器的位移，vL和vA分别表示加载作动器和舵机作动器的运动速度。电液加载系统的本质目标是要对加载指令的精确跟随，即Fd＝Ks(xL-xA)。无论对于速度伺服子系统还是压力伺服子系统来说，控制目标都应该使Fd＝Ks(xL-xA)成立，该式将速度伺服子系统的干扰解耦任务与压力伺服子系统的载荷谱跟踪任务统一起来，可有效解决速度伺服子系统和压力伺服子系统的协调控制问题，对该式两边求导即得出加载作动器的速度参考值vLd： v Ld = F · d / K s + v A .
压力伺服子系统的控制方式如下：加载控制器17的指令输入端(“+”端)接收加载指令，它的反馈端(“—”端)接收力传感器16反馈回的加载力信号，加载控制器17基于相应的力控算法(例如PID控制)生成控制信号，通过控制加载阀20的阀芯位移实现对加载作动器14输出力的控制。由于速度伺服子系统的存在，使力伺服子系统近似工作在静止加载状态下，这极大的降低了力伺系统的控制难度，可有效提高载荷谱的跟踪精度，同时，本发明专门设置了速度指令规划器27，专门用于协调速度伺服子系统和压力伺服子系统的协调控制问题。
本发明的上述实施例中，速度伺服子系统的干扰解耦原理如下：速度控制25根据速度指令规划器27生成的速度参考指令控制电机26的转速，使液压泵的输出流量等于解耦舵机的运动干扰(跟随被加载对象同步运动)所需流量，在保证抑制多余力干扰问题同时，提高了系统的能量利用效率。
本发明的上述实施例中，加载作动器的输出力控制方式为：通过调节加载阀20的阀芯位移实现对加载作动器14的A腔和B腔压力的控制，进而实现对加载作动器14输出力的控制，使之等于加载指令。
本发明的上述实施例中，速度伺服子系统和压力伺服子系统二者的协调控制问题是通过速度指令规划器27实现的，利用加载指令、加载作动器14的速度信息以及加载传感器16的刚度参数，为速度伺服系统规划的速度指令可保证速度伺服子系统和压力伺服子系统二者的协调控制。
上述实施例中的加载作动器14还可以采用双出杆液压缸或液压马达。
上述实施例中的三油口非对称液压泵10还可以用对称型液压泵代替。

Claims (3)

1.一种泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法，其对泵阀复合双自由度电液运动加载系统进行加载控制，所述泵阀复合双自由度电液运动加载系统由速度伺服子系统和压力伺服子系统构成，速度伺服子系统包括电机、电机驱动器、液压泵、蓄能器、第Ⅰ液控单向阀、第Ⅱ液控单向阀、第Ⅰ安全阀、第Ⅱ安全阀、加载作动器、转速传感器、速度传感器、速度指令规划器及速度伺服控制器；压力伺服子系统包括加载伺服阀、液压动力源、油箱、加载作动器、加载传感器及加载控制器，其特征在于：泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法通过速度指令规划器对速度伺服子系统和压力伺服子系统的独立协调控制实现对加载作动器速度和输出力的双自由度伺服控制：1)速度指令规划器生成参考指令：速度指令规划器将加载指令做微分运算的结果除以加载传感器的刚度参数，并与被加载对象的运动速度求和得到速度子系统的参考指令；2)速度控制器控制电机的转速：速度控制器根据速度指令规划器生成的速度参考指令控制电机的转速；3)加载作动器的压力控制：通过调节加载阀的阀芯位移，实现对加载作动器的A腔和B腔压力的控制，进而实现对加载作动器输出力的控制，使之等于加载指令。
2.根据权利要求1所述的泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法，其特征在于：速度伺服子系统和压力伺服子系统中的加载作动器是单出杆液压缸、双出杆液压缸或液压马达。
3.根据权利要求1所述的泵阀复合双自由度电液运动加载控制方法，其特征在于：速度伺服子系统中的液压泵是通用对称型液压泵或三油口非对称液压泵。
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