CN107097975B - 用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法，包括：将来自所述结构试验系统的多个加载通道的各个加载通道控制信号和各个加载通道输出载荷信号进行线性组合以获得各个加载通道解耦补偿信号，用于补偿各个加载通道控制信号。本发明还提供了一种用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦装置。

Description

用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法和装置。

背景技术

结构试验系统指的是通过遍布例如飞行器的机体的加载点对机体结构物理地施加交变载荷，以观测机体结构性能参数，从而对例如飞行器的机体结构的承载能力、疲劳寿命等做出正确评估的测试系统。由于结构试验系统的多个加载通道同时对一个承载对象施加不同载荷，加载通道间会产生耦合干扰。

实际上，结构试验系统通道间相互耦合干扰是存在外界干扰的力闭环问题，目前已有如何提高力闭环系统的控制精度的现有技术。例如，图1示出了现有的一种负载模拟器，其是典型的单通道力(矩)闭环控制系统。如图1所示，位置伺服系统利用角度传感器101的采样信号θ_a进行位置闭环控制；力加载系统利用力矩传感器102的反馈信号T进行力矩闭环控制。其中，u_a为位置通道的控制信号，θ_r，θ_a分别为位置通道的位置指令和角度采样，u_L为力通道的控制信号，T_r，T分别为力矩指令与力矩采样。

对于该力(矩)闭环控制系统来说，位置系统的运动作为强干扰严重影响加载系统的力控制精度。在工程应用中，经常采用速度同步方法来消除位置通道的干扰。

具体地，通过计算加载系统的数学模型，可以得到加载系统的输出力矩传递函数为：

其中G_i(s)(i＝1，2，3)为计算过程传递函数，S为拉普拉斯算子。上式中带sθ_a项即为位置伺服系统运动带来的干扰，其使力加载系统控制精度降低。传统的速度同步算法提出使用位置伺服通道控制信号u_a和加载通道力矩反馈信号T作为力加载系统的补偿信号。

具体地，图2示出了现有的单通道力(矩)闭环控制系统的速度同步补偿方法。其中，力加载通道的补偿信号表达式为

其中，G_ai(s)(i＝1，2，3)为相关计算传递函数，G_com1，G_com2为补偿传递函数。

在现有的负载模拟器系统中，将位置伺服通道控制信号和负载力信号经过适当的处理后对力加载通道进行补偿，可以在一定程度上消除位置伺服通道运动干扰对力加载通道控制精度的影响。

然而，现有的速度同步方法仅适用于单个力加载通道的负载模拟器系统，其可以消除位置伺服通道的运动影响，即运动干扰，但无法消除力加载系统力干扰影响。

因此，需要能够应用于具有多个加载通道的结构试验系统的加载解耦方法和装置。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提供了一种多信号反馈解耦方法及装置，其能够应用于具有多个加载通道的结构试验系统，并且能够解决多个加载通道间由于加载力相互耦合造成的控制精度下降的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法，包括：

将来自所述结构试验系统的多个加载通道的各个加载通道控制信号和各个加载通道输出载荷信号进行线性组合以获得各个加载通道解耦补偿信号，用于补偿各个加载通道控制信号。

根据实施例，本发明的用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法，还包括：

将各个通道加载指令及输出载荷信号输入给所述多个加载通道上的各个控制器以获得所述各个加载通道控制信号。

根据实施例，本发明的用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法，还包括：

基于经过补偿的各个加载通道控制信号，获得所述各个加载通道输出载荷信号。

根据实施例，所述各个加载通道控制信号和所述各个加载通道输出载荷信号与补偿传递函数矩阵的常数元素进行线性组合以获得所述各个加载通道解耦补偿信号，其中所述传递函数矩阵基于由所述多个加载通道彼此之间的输出载荷传递系数作为元素的输出载荷传递系数矩阵计算得到。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦装置，用于：

将来自所述结构试验系统的多个加载通道的各个加载通道控制信号和各个加载通道输出载荷信号进行线性组合以获得各个加载通道解耦补偿信号，用于补偿各个加载通道控制信号。

根据实施例，所述各个加载通道控制信号和所述各个加载通道输出载荷信号与补偿传递函数矩阵的常数元素进行线性组合以获得所述各个加载通道解耦补偿信号，其中所述传递函数矩阵基于由所述多个加载通道彼此之间的输出载荷传递系数作为元素的输出载荷传递系数矩阵计算得到。

根据实施例，在用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦装置中：

将各个通道加载指令及输出载荷信号输入给所述多个加载通道上的各个控制器以获得各个加载通道控制信号。

根据实施例，在用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦装置中：

基于经过补偿的各个加载通道控制信号，获得所述各个加载通道输出载荷信号。

附图说明

图1是现有的单通道力(矩)闭环控制系统负载模拟器的结构示意图。

图2是用于现有的单通道力(矩)闭环控制系统的速度同步补偿方法的示意原理图。

图3是根据本发明实施例的结构试验系统的结构示意图。

图4是用于说明根据本发明实施例的多信号反馈加载解耦方法和装置的示意原理图。

具体实施方式

以下参照附图具体说明根据本发明实施例的用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法和装置。

图3示出了根据本发明实施例的结构试验系统，其具有多个加载通道。为了简化说明，图3中仅示出三个加载通道并且以阀控缸对悬臂梁进行加载。如图3所示，作为承载对象的悬臂梁301通过支撑墙302固定在基座303上。其中u_i(i＝1，2，3)代表各个加载通道上的伺服阀304的控制信号，F_i(i＝1，2，3)代表各个加载通道上的力传感器305采集到的力信号。

具体地，当某一个加载通道i(i＝1，2，3)对悬臂梁301施加载荷F_i时，悬臂梁301会产生弯曲变形，导致其他未加载的通道j(j≠i，j＝1，2，3)也会产生变形x_j。通过分析计算可以得到，当只有通道j施加载荷F_i·K_ij时，通道j也会产生变形x_j，F_i·K_ij即为通道i对通道j的干扰力，K_ij为通道i对通道j的输出载荷传递系数，其反映了通道间相互影响程度，可以通过材料力学或有限元分析得到。因为每个通道都会对其他通道产生力干扰，即结构试验存在的耦合干扰。

推广到有n个加载通道的情况，通过分析加载系统数学模型，可以得到每个通道输出力表达式为

其中，G_i(s)(i＝1，2，3)为传递函数矩阵，u(s)(i＝1，2，3...n)为控制信号矩阵，F(s)(i＝1，2，3...n)为输出力矩阵，K(i＝1，2，3...n)为输出载荷传递系数矩阵，s为拉普拉斯算子。

输出力表达式中的干扰项是力干扰，由于力信号由传感器采样得到，包含测量噪声信号，不能直接进行微分处理补偿，所以先根据输出力表达式得到输出力与控制信号的关系

u(s)＝G(s)·F(s)

其中G(s)(i＝1，2，…，n)为传递函数矩阵，u(s)(j＝1，2，…，n)为控制信号矩阵，F(s)(j＝1，2，…，n)为输出力矩阵。将这个矩阵方程展开，可以得到n个方程如下：

其中，a_ij是关于结构参数的数值。由于s的平方项以及更高阶次项的系数相对常数项和一次项系数较小，所以在多信号反馈解耦方法推导过程中，可以将s的平方项以及更高阶次项忽略，对上述方程，即忽略括号中省略号的内容，并以sF_i项为新的变量，整理得到如下方程：

把sF_i(i＝1，2，3...n)项看作为方程组的新变量，sF_i是F_i和u_i的线性组合。即

sF(s)＝C·[u(s)，F(s)]

其中C为常数矩阵。加入补偿控制信号矩阵u_c(s)后，每个加载通道输出力表达式为：

由上式可知，为了补偿每个通道对其他通道造成的力干扰以提高控制精度，解耦补偿信号矩阵u_c(s)的表达式为

将

简化为常数矩阵，G₀(s)即补偿传递函数矩阵，解耦补偿控制信号可以表达成各个通道控制信号以及输出力反馈信号的线性组合形式，即结构试验多信号反馈解耦方法。

图4示出了用于说明根据本发明实施例的多信号反馈加载解耦方法和装置的示意原理图。

如图4所示，根据本发明实施例的用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法，包括：

将各个通道加载指令及输出载荷信号输入给结构试验系统的多个加载通道上的各个控制器以获得各个加载通道控制信号u₁、u₂、……u_n；

由解耦装置将来自各个加载通道控制信号u₁、u₂、……u_n和各个加载通道输出载荷信号F₁、F₂、……F_n进行线性组合以获得各个加载通道解耦补偿信号u_c1、u_c2、……u_cn，用于补偿各个加载通道控制信号；以及

基于经过补偿的各个加载通道控制信号，获得所述各个加载通道输出载荷信号F₁、F₂、……F_n。

综上所述，本发明提供了一种多信号反馈加载解耦方法和装置，其能够应用于具有多个加载通道的结构试验系统，以消除加载通道间力耦合干扰，对多个加载通道进行解耦控制；并且选取各个加载通道的控制信号和输出载荷信号作为解耦装置的输入信号，因此解耦输入信号包含了通道间耦合干扰更多的有效信息，有利于提高解耦控制精度；另外，由于控制信号和输出载荷信号通过线性组合的方式来形成解耦补偿信号，避免了传感器采样信号微分处理，在工程上容易实现，同时解耦补偿信号保留了更高阶的微分信息，具有更好的解耦控制效果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法，包括：

将来自所述结构试验系统的多个加载通道的各个加载通道控制信号和各个加载通道输出载荷信号进行线性组合以获得各个加载通道解耦补偿信号，用于补偿各个加载通道控制信号；

其中，所述各个加载通道控制信号和所述各个加载通道输出载荷信号与补偿传递函数矩阵的常数元素进行线性组合以获得所述各个加载通道解耦补偿信号，其中所述补偿传递函数矩阵基于由所述多个加载通道彼此之间的输出载荷传递系数作为元素的输出载荷传递系数矩阵计算得到；

解耦补偿信号矩阵u_c(s)的表达式为

G₁(s)、G₂(s)为传递函数矩阵，将

简化为常数矩阵，G₀(s)即补偿传递函数矩阵，K为输出载荷传递系数矩阵，C为常数矩阵，u(s)为控制信号矩阵，F(s)为输出力矩阵。

2.如权利要求1所述的用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法，还包括：

将各个通道加载指令及输出载荷信号输入给所述多个加载通道上的各个控制器以获得所述各个加载通道控制信号。

3.如权利要求1或2所述的用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦方法，还包括：

基于经过补偿的各个加载通道控制信号，获得所述各个加载通道输出载荷信号。

4.一种用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦装置，用于：

将来自所述结构试验系统的多个加载通道的各个加载通道控制信号和各个加载通道输出载荷信号进行线性组合以获得各个加载通道解耦补偿信号，用于补偿各个加载通道控制信号；

其中，所述各个加载通道控制信号和所述各个加载通道输出载荷信号与补偿传递函数矩阵的常数元素进行线性组合以获得所述各个加载通道解耦补偿信号，其中所述补偿传递函数矩阵基于由所述多个加载通道彼此之间的输出载荷传递系数作为元素的输出载荷传递系数矩阵计算得到；

解耦补偿信号矩阵u_c(s)的表达式为

G₁(s)、G₂(s)为传递函数矩阵，将

简化为常数矩阵，G₀(s)即补偿传递函数矩阵，K为输出载荷传递系数矩阵，C为常数矩阵，u(s)为控制信号矩阵，F(s)为输出力矩阵。

5.如权利要求4所述的用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦装置，其中：

将各个通道加载指令及输出载荷信号输入给所述多个加载通道上的各个控制器以获得各个加载通道控制信号。

6.如权利要求4或5所述的用于结构试验系统的多信号反馈加载解耦装置，其中：

基于经过补偿的各个加载通道控制信号，获得所述各个加载通道输出载荷信号。

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