CN105334058A - 一种检验框架式摇摆发动机伺服系统动态特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种检验框架式摇摆发动机伺服系统动态特性的方法。包括如下步骤：步骤1、测量传感器安装；获取角位移；步骤2、设定正弦指令信号的频率变换方式；步骤3、设定正弦指令信号的幅值；步骤4、根据待测试的伺服系统的指令输入形式选择实验时的指令输入方式；步骤5、进行信号输入和数据采集；对于待测试的伺服系统，输入设定的正弦指令信号，并采集多个角速率陀螺的输出信号；步骤6、以设定的正弦指令信号为输入，以根据多个角速率陀螺的输出信号得到的角位移信号为输出，进行频率特性计算，获得真实的幅值和相位特性；步骤7、数据分析，得到系统的特性。该方法可以真实评估伺服系统的动态特性。

Description

一种检验框架式摇摆发动机伺服系统动态特性的方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种检验框架式摇摆发动机伺服系统整个回路动态特性的方法。

背景技术

对于框架式摇摆发动机伺服系统来说，其动态性能直接影响着姿控系统的性能。框架式摇摆发动机伺服系统性能主要受伺服的影响，但自身结构刚度也相对有限，在传递过程中会发生弹性放大。由于发动机的惯量较大，在摆动过程中，摆动惯性会产生激励力，系统受结构弹性影响会产生高频摆动，影响伺服系统性能，严重时会导致伺服系统失稳，产生极限环振荡现象。动态特性是框架式摇摆发动机伺服系统的重要参数，必须通过试验获得，作为伺服控制参数的设计依据。

以往对框架式摇摆发动机伺服系统的动态特性测量方法是：通过伺服指令输入激励信号，测量伺服反馈位置的角位移输出，通过该特性来进行伺服控制参数设计评估。这种方法仅测量了反馈端的输出特性，而反馈通常在中间位置，实际的系统最终输出为发动机，该特性并不能完全代表整个系统的动态特性。由于发动机的惯量较大，而伺服传动环节的刚度是有限的，在传递的过程中就会产生弹性放大，如果弹性放大的频率过低，就会落入伺服控制带宽内，对整个伺服系统的动态特性产生不利影响。这种方法存在缺陷，降低了整个姿控系统的性能，为产品设计带来了安全隐患。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对上述问题，提供一种更真实准确检验框架式摇摆发动机伺服系统的方法，解决伺服系统动态性能过低或不稳的问题，提高伺服系统设计模型的准确性，保证姿控系统稳定性和动态品质。

技术方案

一种检验框架式摇摆发动机伺服系统动态特性的方法，其中，包括如下步骤：

步骤1、测量传感器安装；在指定的多个位置安装多个角速率陀螺，用于测量多个位置的角速率响应，并通过积分的方式来获取角位移；

步骤2、设定正弦指令信号的频率变换方式；选择使用多个正弦信号，并且每个正弦信号都是固定频率，或者，选择单个频率持续变化的正弦信号；

步骤3、设定正弦指令信号的幅值；

步骤4、根据待测试的伺服系统的指令输入形式选择实验时的指令输入方式；

步骤5、进行信号输入和数据采集；对于待测试的伺服系统，输入设定的正弦指令信号，并采集多个角速率陀螺的输出信号；

步骤6、以设定的正弦指令信号为输入，以根据多个角速率陀螺的输出信号得到的角位移信号为输出，进行频率特性计算，获得真实的幅值和相位特性；

步骤7、数据分析，得到系统的特性。

如上所述的一种检验框架式摇摆发动机伺服系统动态特性的方法，其中，

在步骤1中，在外环伺服传递装置、内环伺服传递装置、摇摆框架、发动机喷管，安装角速率陀螺；

在步骤2中，选择连续扫描方式，设定的参数为：扫描下限频率1Hz，扫描上限频率32Hz，频率变化方式为对数方式变化，扫描时间120秒；

在步骤3中，设定幅值为0.5°、1.0°、2.0°。

有益效果

本发明所采取的技术方案为：一种检验框架式摇摆发动机伺服系统动态特性的方法，利用伺服指令输入，对整个发动机伺服系统进行激励，同步测量伺服反馈、伺服输出各个结构传递环节的输出响应、框架的输出响应以及发动机的输出响应，通过测量最终发动机的输出响应与指令输入进行处理分析，得到整个伺服系统的动态特性。同时，可以通过各子级输出响应与指令输入处理出各子级的特性，从而可以确定传递刚度较弱的位置，为设计改进提供依据。通过提高系统的刚度，使结构的谐振频率远离伺服有效控制范围，保证伺服系统的动态性能。

由于该方法实测了框架式摇摆发动机伺服系统最终的动态特性，可以真实评估伺服系统的动态特性。当伺服系统的动态特性较差时，可以查找到结构的薄弱环，快速进行改进设计。通过改进设计，可以提高执行机构性能，保证姿控系统设计指标。准确获得伺服系统的整个特性，能为姿控设计提供最真实的数学模型，提高姿控设计的准确性，可以提升执行机构的安全性和性能，为型号姿控设计提供有力保障。

附图说明

图1为框架式摇摆发动机伺服系统示意图。

图2为框架式摇摆发动机伺服系统动态特性试验原理示意图。

图3为固定正弦扫描时间历程示意图。

图4为连续正弦扫描时间历程示意图。

图5为连续正弦扫描频率变化图。

图6为一个伺服作动器处反馈环节的幅值特性和相位特性示意图。

图7为系统各个环节幅值特性示意图。

图中，1-1－外环伺服作动器，1-2－内环伺服作动器，2-1－外环伺服传递装置，2-2－内环伺服传递装置，3－摇摆框架，4-发动机喷管，5－固定支座，6－测量传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

由图1可见，框架式摇摆发动机伺服系统的结构主要由外环伺服作动器1-1、内环伺服作动器1-2、外环伺服传递装置2-1、内环伺服传递装置2-2、摇摆框架3、发动机喷管4、固定支座组成5，伺服控制器内部还带有控制相关的软件和硬件。为了检验系统的动态特性，在系统结构的关键环节安装测量传感器，通过测量这些位置的角位移来进行频率特性计算，进而分析整个系统特性是否满足设计要求，并能找到结构的关键薄弱位置。

本发明检验框架式摇摆发动机伺服系统动态特性的方法，就是利用伺服系统的指令端进行指令输入，来对整个系统进行激励，通过测量各个环节的响应，进而处理出系统和单级的频率特性，从而检验是否满足姿控的设计要求。其具体程序和步骤为：

1、测量传感器安装：如图1所示，在框架式摇摆发动机伺服系统的关键环节，主要包括伺服的传动装置(外环伺服传递装置2-1、内环伺服传递装置2-2)、摇摆框架3、发动机喷管4，安装角速率陀螺，测量多个角速率陀螺的角速率响应，以通过积分的方式来获取角位移。

2、选择指令激励方式：试验需要在指令端输入正弦指令，正弦指令可以是固定频率的正弦信号或连续扫描信号。如果是固定频率的正弦信号，那么一次扫描一个频率点，获得所需试验结果，然后根据试验要求变化试验频率，直至所有试验规定的频率都完成。如果是连续扫描，则根据试验要求，规定扫描上限频率和下限频率，并设定扫描时间或扫描速率，进行扫描激励，扫描方式可以是线性或对数的。

(1)如图3所示，可以在固定频率时，选择5个频率点；

(2)如图4所示，可以在连续扫描时，设定的规定扫描上限频率和下限频率，扫描时间或扫描速率，扫描方式。

其中，线性或对数方式是指频率变化的方式，如图5所示，表示了图4中连续扫描时频率变化的方式为对数形式。

而在本实施例中，选择对数扫描方式，设定的参数为：扫描下限频率1Hz,扫描上限频率32Hz,扫描时间120秒。

3、选择激励幅值：考虑到伺服通常都有较强的非线性，试验需要进行不同幅值的扫描试验，幅值的大小可以在试验中进行调整。由于伺服系统在高频段通常采用幅值稳定，受伺服角速率能力的影响，幅值越大，其幅值特性会不断降低，而其小幅值下的幅值特性最为恶劣。通常试验选择较小幅值进行试验，以频率特性的幅值增加为幅值调整方向，最少进行三种幅值的试验，以确定伺服系统最恶劣的情况。

在本实施例中，设定了三种幅值：0.5°、1.0°、2.0°；

4、选择指令输入方式：指令有两种方式输入，如果伺服带有模拟接口，那么根据选择指令激励方式和激励幅值，使用测试仪生成模拟信号，然后输入到伺服的指令端；如果伺服为数字接口，那么在试验前，提前根据选择的指令激励方式和激励幅值、生成数字指令，用程序将数字信号从总线输入到伺服中去。当两种接口同时存在时，可以任意选择。以实际硬件为准。

本实施例中，选择了模拟输入方式。

5、信号输入和数据采集：试验中的数据均需要进行采集，考虑到要进行频率特性分析，激励和响应信号需要进行同步采集。如果伺服为模拟接口，则将指令、反馈和传感器测量信号共同连接到动态采集仪，试验时便可同步测量各路信号。如果伺服为数字接口，则通过触发方式或公用一路参考信号的方式来实现同步。根据试验状态存储数据，以进行后续的数据分析工作。

根据设定好的幅值和频率特性，输入激励信号，同步采集激励和响应信号。本实施例中，首先以第一个幅值0.5°开始试验，输入以对数形式变换频率的正弦信号，进行外环频率特性测试。采集外环伺服作动器1-1中的反馈环节、外环伺服传递装置2-1中的摆杆环节、摇摆框架3、发动机喷管4各处的响应，作为第一级、第二级、第三级、第四级的输出响应。

然后，进行第二个幅值，以及第三个幅值的试验过程，同步采集激励和响应信号。外环测试完毕后，按同样方式进行内环试验。

6、数据后处理：将采集的数据，以指令为输入、反馈和各级响应为输出，进行频率特性计算，获得真实的幅值和相位特性。

如图6所示，举例表示了本实施例中计算得到的某一个伺服作动器处反馈环节的幅值特性和相位特性；其它各个部分的幅值和相位特性与此类似。

7、数据分析：对得到的频率特性结果进行分析，确定系统谐振频率和放大倍数，根据不同环节的放大倍数关系，来确定系统的薄弱环节，即放大倍数最大的环节，为结构改进提供依据。

如图7所示，在某一个幅值下，对于系统各个环节的特性进行分析；

从反馈、摆杆、摇摆框架、发动机喷管对指令的频率特性来确定结构薄弱环节，由于从摆杆到摇摆框架的放大倍数是最大的，所以这两者之间的连接刚度是最弱的，需要进行改进。改进后，幅值就会降低，以提高系统性能。

8、检验结果确认：对检验结果进行确认，如果频率特性满足整个姿控系统的动态性能要求，则将结果提供给姿控专业，作为设计依据；如果特性不满足要求，根据分析的结果进行网络的更改或结构改进工作。

上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种检验框架式摇摆发动机伺服系统动态特性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、测量传感器安装；在指定的多个位置安装多个角速率陀螺，用于测量多个位置的角速率响应，并通过积分的方式来获取角位移；

步骤2、设定正弦指令信号的频率变换方式；选择使用多个正弦信号，并且每个正弦信号都是固定频率，或者，选择单个频率持续变化的正弦信号；

步骤3、设定正弦指令信号的幅值；

步骤4、根据待测试的伺服系统的指令输入形式选择实验时的指令输入方式；

步骤5、进行信号输入和数据采集；对于待测试的伺服系统，输入设定的正弦指令信号，并采集多个角速率陀螺的输出信号；

步骤6、以设定的正弦指令信号为输入，以根据多个角速率陀螺的输出信号得到的角位移信号为输出，进行频率特性计算，获得真实的幅值和相位特性；

步骤7、数据分析，得到系统的特性。

2.如权利要求1所述的一种检验框架式摇摆发动机伺服系统动态特性的方法，其特征在于，

在步骤1中，在外环伺服传递装置(2-1)、内环伺服传递装置(2-2)、摇摆框架(3)、发动机喷管(4)，安装角速率陀螺；

在步骤2中，选择连续扫描方式，设定的参数为：扫描下限频率1Hz，扫描上限频率32Hz，频率变化方式为对数方式变化，扫描时间120秒；

在步骤3中，设定幅值为0.5°、1.0°、2.0°。