CN107345535B - 一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿真技术领域，具体为一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法。本系统对进出口独立控制加载装置流量和压力进行分腔控制，首先利用速度指令计算单元生成同步速度指令，再利用速度传感器反馈信号、载荷谱指令，由速度伺服控制单元生成运动控制信号，调节进入（或流出）加载作动器的流量，解耦舵机运动干扰，基于载荷谱指令和加载传感器反馈信号，由加载伺服控制器生成加载控制信号，控制加载作动器另外一个容腔的压力，通过对加载系统流量、压力状态的分腔协调控制，实现高性能的负载模拟功能。本发明实现了加载系统流量和压力状态的分腔协调控制，可有效解决半实物仿真领域存在的多余力干扰问题，具有模拟精度高和便于工程实施的特点。

Description

一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法

技术领域

本发明属于仿真技术领域，具体为一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法。

背景技术

飞机或舰船在高速航行过程或是改变原有航向时，其舵机系统要承受来自空气或水的反作用力，为了测试舵机系统带载特性以及可靠性，需要在研发过程中对其进行一系列的半实物仿真加载实验，该类实验的主要意义是在实验室环境下,复现舵机系统在真实工况下承受的负载，而负载模拟系统的作用正是产生负载力（矩）对舵机系统进行加载。负载模拟器可以用来测试舵机系统的带载特性、考核其机械结构强度、评测整个控制系统的性能，负载模拟系统在航空、航天及武器研发领域有着广泛的应用需求。

半实物加载仿真实验原理如图1所示，实验系统包括负载模拟系统14和被加载舵机系统15，负载模拟系统14和舵机系统15通过载荷传感器3连接，舵机控制器20基于舵机位置指令和舵机速度反馈信号生成控制信号控制舵机阀19，实现对舵机作动器16的运动控制；加载控制器6根据载荷谱指令和载荷反馈信号，基于相应的控制算法生成控制量，通过加载阀21控制加载作动器1的力输出。舵机作动器16跟踪舵机位置指令运动，而加载作动器1需要在舵机的运动过程中，跟踪载荷谱指令对舵机进行加载，从半实物加载仿真实验的流程可见，负载模拟器是典型的运动加载系统。

舵机的主动运动对负载模拟系统的载荷谱跟踪控制造成了剧烈干扰，国内学者习惯将由舵机运动导致的加载跟踪误差称为多余力问题，舵机运动干扰是导致载荷模拟不准确的关键干扰因素，是制约高精度负载模拟实验的核心技术难题。

目前负载模拟实验主要通过电液加载装置实现，为了抑制舵机的运动干扰，实现高精度的负载模拟功能，人们采取了一系列技术措施。例如，利用舵机速度信号进行前馈补偿方法，该方法的主要问题是存在补偿滞后问题，且多余力抑制效果受舵机自身运动频率的影响。专利CN1216328C提出利用舵机伺服阀的控制信号替代舵机速度，意在解决舵机速度前馈方案存在的补偿滞后问题，但这类方法仅适用于液压阀控舵机使用，此外基于该方法的加载性能对补偿控制器参数和舵机运动频率非常敏感。专利CN104564915A提出了一种基于泵阀复合的双自由度电液负载模拟控制方法，该方法提出在传统阀控加载方案的基础上增设一套泵控闭环子系统，通过阀和泵的复合控制实现运动加载功能，该方案的主要问题是加载系统结构复杂，实施成本较高。

通过对电液负载模拟器相关文献的分析，目前的电液负载模拟技术存在以下三个方面的问题：（1）图1所示的传统加载方案中加载阀“身兼二职”，既要负责舵机的运动干扰的抑制，又要负责载荷谱指令的跟踪，由于加载系统的流量和压力状态的相互耦合，导致基于传统阀控加载方案载荷谱跟踪误差大、负载模拟精度不高；（2）专利CN104564915A提出的负载模拟方案结构复杂，实施成本较高；（3）目前的负载模拟方案未能充分利用舵机的主动运动实现变阻尼加载，因此亟需一种结构简单、便于实施的负载模拟方法。

发明内容

本发明的目的是解决传统负载模拟技术存在的多余力干扰大、节流损耗大、能量利用效率低、不能满足高动态负载模拟需求等技术问题，提供一种实施方便、兼顾加载系统动态响应特性以及能量利用效率的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，其对进出口独立控制加载装置的流量和压力状态进行分腔协调控制，完成高性能负载模拟功能，进出口独立控制加载装置包括加载作动器、载荷传感器、第一流量阀、第二流量阀、加载控制器、液压动力源、油箱、速度伺服控制器、速度指令计算单元、加载轴轴向刚度比例单元、力反馈信号微分器和舵机位置反馈信号微分器，第二流量阀的A出油口与加载作动器的A容腔连接，第一流量阀的B出油口与加载作动器的B容腔连接，液压动力源压力油输出端分别连接到第一流量阀、第二流量阀的P端口，第一流量阀、第二流量阀的T端口和油箱连接，加载作动器的轴体上设置通过载荷传感器，载荷传感器输出端与加载控制器的反相端连接，加载控制器的同相端通过依次连接的力反馈信号微分器、加载轴轴向刚度比例单元和速度指令计算单元的同相端连接，舵机位置反馈信号微分器与速度指令计算单元的同相端连接，速度指令计算单元的输出端和速度伺服控制器的同相端连接；本方法首先采集载荷谱指令信号和舵机速度反馈信号，由速度指令计算单元生成速度控制信号，再结合加载作动器的速度反馈信号，由速度伺服控制器生成速度控制指令，速度控制指令输入第一流量阀和第二流量阀中的一个流量阀中，控制进入或流出加载作动器一个容腔的流量，解耦舵机的运动干扰，利用载荷传感器反馈信号和载荷谱指令，基于加载控制器生成加载控制信号，加载控制信号输入第一流量阀和第二流量阀中的另一个流量阀中，控制加载作动器的另外一个容腔的压力，通过对加载作动器流量和压力的分腔独立控制，解决舵机运动导致的多余力干扰问题，实现高精度的运动加载控制。

上述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，进出口独立控制加载装置中包含两个闭环控制回路,即速度闭环控制回路和加载闭环控制回路，速度闭环控制回路包括速度传感器、第一流量阀、第二流量阀、速度伺服控制器和速度指令计算单元，加载闭环控制回路包括流量第一流量阀、第二流量阀、载荷传感器和加载控制器。

上述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，在任意工作时刻，加载作动器必有一个容腔处于流量控制模式，而另外一个容腔处于压力控制模式，其工作模式根据舵机运动方向和载荷谱指令方向决定。

上述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，进出口独立控制加载装置中的第一流量阀、第二流量阀可优选为三位三通K型比例流量阀或三位三通K型伺服流量阀。

上述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，进出口独立控制加载装置中的加载作动器可为非对称单出杆液压缸、对称双出杆液压缸、有限摆角液压摆动缸或液压马达。

上述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，进出口独立控制加载装置中的液压动力源为下述任意一种形式：电机加定量泵或电机加变量泵。

上述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，舵机速度反馈信号通过舵机指令结合舵机辨识模型产生或舵机速度传感器产生。

上述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，加载作动器的速度反馈信号通过位置传感器加微分器和滤波器生成或加载作动器速度传感器产生。

本发明与背景技术相比，具有以下有益效果：

1）本发明实现了对加载作动器流量和压力状态的分腔协调控制，消除了舵机主动运动导致的强迫流量，多余力抑制效果好，负载模拟精度高。

2）本发明在逆向加载工况下（加载方向与舵机运动方向相反），可以利用舵机自身运动通过控制加载系统流量阀的开口度实现加载，有效降低加载系统的功率消耗。

3）进出口独立控制加载装置，具有结构简单，实施成本低的优点。

4）本发明适用场合广泛，即可对液压舵机加载亦可对电动舵机加载。

5）进出口独立控制加载装置的作动器可选型式灵活，可以采用对称或非对称直线液压缸，或是摆动缸或液压马达旋转作动器。

附图说明

图1是传统阀缸负载模拟原理图。

图2是流量压力分腔协调控制负载模拟系统的工作模式图。

图3是本发明实施例的原理图。

图中：1-加载作动器，2-速度传感器，3-载荷传感器，4- B腔三位三通K型流量阀，5- A腔三位三通K型流量阀，6-加载控制器，7-液压动力源，8-油箱，9-速度伺服控制器，10-速度指令计算单元，11-加载轴轴向刚度比例单元，12-力反馈信号微分器，13-舵机位置反馈信号微分器，14-负载模拟系统，15-被加载舵机系统，16-舵机作动器，17-舵机速度传感器，18-舵机惯量模拟块，19-舵机阀，20-舵机控制器，21-加载阀。

具体实施方式

下面结合附图2和附图3给出流量压力分腔协调控制负载模拟方法的工作原理以及进出口独立控制加载装置的硬件结构实施例，在此原理框架下，本专业技术人员可基于不同的控制理论和算法，实现流量压力分腔协调控制负载模拟方法。

实施例：

根据舵机系统的运动方向以及载荷谱指令的大小，可将负加载装置的工作模式分为四种。为了便于分析，首先对舵机的运动方向X以及载荷谱指令F的符号做如下定义：规定X和F的方向与笛卡尔坐标系横轴正方向一致时为正，相反时为负。

如图2所示，当舵机运动方向与载荷谱指令方向都是正时（工作模式1），加载作动器A容腔工作在压力模式，B容腔工作在流量模式；当舵机运动方向为正、载荷谱指令为负时（工作模式2），加载作动器A容腔工作在流量模式，B容腔工作在压力模式；当舵机运动方向与载荷谱指令都是负时（工作模式3），加载作动器A容腔工作在流量模式，B容腔工作在压力模式；当舵机运动方向为负、载荷谱指令为正时（工作模式4），加载作动器A容腔工作在压力模式，容腔B工作在流量模式。在任意工作时刻，加载装置必处于上述四种模式之一，故加载作动器两个容腔的工作模式是确定的。

当加载装置处于逆载工作模式下（工作模式2和4），本发明方法可充分利用舵机的主动运动干扰，通过调节负责压力控制容腔流量阀的开口度，实现对舵机系统加载，此时加载作动器的流量控制容腔，仅需通过其中一个流量阀补充（或释放）舵机运动产生的强迫流量即可，此时加载装置几乎不需要从压力油源系统提取能量，因此本发明方法较传统技术功率消耗更低。

以加载装置处于工作模式1为例，详述本发明的工作原理：

如图3所示，本实施例中的进出口独立控制加载装置，包括加载作动器1、速度传感器2、载荷传感器3、B腔三位三通K型流量阀4、A腔三位三通K型流量阀5、加载控制器6、液压动力源7、油箱8、速度伺服控制器9、速度指令计算单元10、加载轴轴向刚度比例单元11、力反馈信号微分器12和舵机位置反馈信号微分器13，其中加载作动器1通过联轴器与舵机惯量模拟块18刚性连接，加载作动器1的B容腔与B腔三位三通K型流量阀4的出油口连接，加载作动器1的A容腔与A腔三位三通K型流量阀5的出油口连接，液压动力源7压力油输出端分两路分别连接到流量阀4、5的P端口，流量阀4、5的T端口分别与油箱连接，加载控制器6输出端和A腔三位三通K型流量阀5连接，速度伺服控制器9输出端和B腔三位三通K型流量阀4连接，设置在加载作动器1轴体上的速度传感器2和速度伺服控制器9的反相端连接，舵机速度传感器17通过舵机位置反馈信号微分器13与速度指令计算单元10的同相端连接。

加载装置的速度闭环控制回路由速度伺服控制器9、速度指令计算单元10，加载轴轴向刚度比例单元11，力反馈信号微分器12和舵机位置反馈信号微分器13构成，其对舵机运动干扰的解耦控制过程如下：首先采集载荷谱指令信号和舵机速度反馈信号，利用力反馈信号微分器12和速度指令计算单元10计算生成解耦舵机运动的运动指令信号，速度伺服控制器9利用该信号和加载作动器速度反馈信号基于一定的控制算法（比如PID）计算生成流量控制信号，控制B腔三位三通K型流量阀4调节流出加载作动器1的负载流量，实现对舵机系统的运动干扰解耦；负载模拟系统的加载闭环控制回路利用载荷谱指令信号和载荷反馈信号，由加载控制器6生成加载控制信号，控制流量阀5的阀芯位移进而调节加载作动器A容腔的压力，实现对加载作动器输出力的控制。

所述的加载装置的加载作动器1是非对称缸，可以采用对称液压缸、液压摆动缸或液压马达代替非对称缸。

所述的液压动力源7可以通过舵机惯量模拟块加定量泵方案实现，也可由舵机惯量模拟块加变量泵方案实现。

所述的三位三通K型流量阀可以是比例流量阀，也可是伺服流量阀。

所述的速度闭环控制回路，其舵机速度反馈信号可以由舵机运动指令结合舵机辨识模型产生，进而代替舵机速度传感器17。

所述的速度闭环控制回路，其加载作动器的速度反馈信号可以由位置传感器结合微分器和滤波器生成，进而代替速度传感器2。

Claims (8)

1.一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，其特征在于其对进出口独立控制加载装置的流量和压力状态进行分腔协调控制，完成高性能负载模拟功能，进出口独立控制加载装置包括加载作动器（1）、载荷传感器（3）、第一流量阀、第二流量阀、加载控制器（6）、液压动力源（7）、油箱（8）、速度伺服控制器（9）、速度指令计算单元（10）、加载轴轴向刚度比例单元（11）、力反馈信号微分器（12）和舵机位置反馈信号微分器（13），第二流量阀的A出油口与加载作动器（1）的A容腔连接，第一流量阀的B出油口与加载作动器（1）的B容腔连接，液压动力源（7）压力油输出端分别连接到第一流量阀、第二流量阀的P端口，第一流量阀、第二流量阀的T端口和油箱（8）连接，加载作动器（1）的轴体上设置通过载荷传感器（3），载荷传感器（3）输出端与加载控制器（6）的反相端连接，加载控制器（6）的同相端通过依次连接的力反馈信号微分器（12）、加载轴轴向刚度比例单元（11）和速度指令计算单元（10）的同相端连接，舵机位置反馈信号微分器（13）与速度指令计算单元（10）的同相端连接，速度指令计算单元（10）的输出端和速度伺服控制器（9）的同相端连接；本方法首先采集载荷谱指令信号和舵机速度反馈信号，由速度指令计算单元（10）生成速度控制信号，再结合加载作动器的速度反馈信号，由速度伺服控制器（9）生成速度控制指令，速度控制指令输入第一流量阀（4）和第二流量阀（5）中的一个流量阀中，控制进入或流出加载作动器（1）一个容腔的流量，解耦舵机的运动干扰，利用载荷传感器（3）反馈信号和载荷谱指令，基于加载控制器（6）生成加载控制信号，加载控制信号输入第一流量阀（4）和第二流量阀（5）中的另一个流量阀中，控制加载作动器（1）的另外一个容腔的压力。

2.根据权利要求1所述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，其特征在于进出口独立控制加载装置中包含两个闭环控制回路,即速度闭环控制回路和加载闭环控制回路，速度闭环控制回路包括速度传感器（2）、第一流量阀（4）、第二流量阀（5）、速度伺服控制器（9）和速度指令计算单元（10），加载闭环控制回路包括流量第一流量阀（4）、第二流量阀（5）、载荷传感器（3）和加载控制器（6）。

3.根据权利要求1或2所述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，其特征在于在任意工作时刻，加载作动器（1）必有一个容腔处于流量控制模式，而另外一个容腔处于压力控制模式，其工作模式根据舵机运动方向和载荷谱指令方向决定。

4.根据权利要求1或2所述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，其特征在于进出口独立控制加载装置中的第一流量阀（4）、第二流量阀（5）为三位三通K型比例流量阀或三位三通K型伺服流量阀。

5.根据权利要求1或2所述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，其特征在于进出口独立控制加载装置中的加载作动器（1）为非对称单出杆液压缸、对称双出杆液压缸、有限摆角液压摆动缸或液压马达。

6.根据权利要求1或2所述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，其特征在于进出口独立控制加载装置中的液压动力源（7）为下述任意一种形式：电机加定量泵或电机加变量泵。

7.根据权利要求1或2所述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，其特征在于舵机速度反馈信号通过舵机指令结合舵机辨识模型产生或舵机速度传感器产生。

8.根据权利要求1或2所述的一种流量压力分腔协调控制负载模拟方法，其特征在于加载作动器的速度反馈信号通过位置传感器加微分器和滤波器生成或加载作动器速度传感器产生。