CN109188893B - 运动动态加载方法 - Google Patents

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    • G—PHYSICS
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D27/02—Simultaneous control of variables covered by two or more of main groups G05D1/00 - G05D25/00 characterised by the use of electric means

Abstract

本公开提供一种运动动态加载方法，包括以下步骤：(1)对加载系统的系统阻尼进行估计；(2)根据步骤(1)系统阻尼的估计值对所述系统阻尼进行控制。本公开的运动动态加载方法对加载系统的阻尼进行闭环控制，使得加载系统时刻能够维持在阻尼最佳状态。

Description

运动动态加载方法
技术领域
本公开属于伺服控制领域，具体涉及一种可在伺服系统进行闭环力矩控制/位置控制同时实现系统阻尼比优化的运动动态加载方法，可提高加载系统的加载精度与快速性，改善系统性能。
背景技术
伺服系统又称随动系统，是用来精确跟随或复现某施力或位置控制的反馈控制系统。伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
加载设备是检测和评价导航和制导系统性能的主要高精尖试验设备，是一种典型的伺服系统，它的任务是及时、准确地跟踪由飞行器六自由度模型和风洞实验数据所生成的气动力矩载荷谱，模拟导航和制导系统在真实工况下承受的气动力矩载荷。与过去的自破坏性全实物试验相比，以负载模拟器为核心的飞行器地面半实物仿真平台，不仅为实际飞行提供了充分的技术支持和实验数据、为飞行器的改进和再设计提供各种参考依据，还有效缩短了系统的研制周期，节约了开发成本，具有重大经济价值和国防战略意义。
根据加载系统的能源类型的不同，加载设备可以分为三类：电液负载模拟器、电动负载模拟器以及气动负载模拟器。随着我国航空航天技术的进步以及国防现代化建设的发展，在飞行器和武器系统的研发过程中，被测飞行器及其部件性能的不断提升，动态频响越来越快，这对其作为测试设备的性能提出了更高的要求。
在众多技术要求中，加载精度是加载系统的一个重要指标，而系统阻尼比是影响加载精度的关键参数之一。以液压伺服系统为例，液压阻尼比表示系统的相对稳定性，而它却是一个在实际工程中难以直接获取的变量之一，对液压伺服系统而言零位阻尼比小，阻尼变化范围大，是该伺服系统的一个特点。一般液压伺服系统是低阻尼的，负载模拟器也不例外，一般不超过0.3，利用传统的控制方法经常会造成超调，影响系统的快速性，降低加载精度，所以提高液压阻尼比对改善系统是十分重要的；而电机加载系统也经常由于摩擦等因素，阻尼过大或过小，造成系统响应不能满足要求。
众所周知，在工程实际中分析和设计控制系统，常常把二阶系统的响应特性视为一种基准，因为大多实际系统可近似为二阶系统，一般高阶系统也都按照一定的简化原则使之降阶，用二阶系统进行系统分析设计和校正，对于二阶系统而言，当系统的阻尼为0.707左右时，系统能够获得最优的阶跃响应，而阶跃响应是控制系统中条件最苛刻的控制响应之一，所以如果能通过某种运动加载方式将系统的阻尼调整为最佳阻尼，将会给控制带来很大的便利，进而提高伺服系统的精度与快速性。
发明内容
为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供一种运动动态加载方法，通过以下技术方案实现。
本公开提供一种运动动态加载方法，包括以下步骤：
(1)对加载系统的系统阻尼进行估计；
(2)根据步骤(1)系统阻尼的估计值对系统阻尼进行控制。
根据本公开的至少一个实施方式，步骤(1)中，使用阻尼估计器对系统阻尼进行估计，阻尼估计器通过采集加载系统的输入信号和加载系统的输出信号对系统阻尼进行估计。
根据本公开的至少一个实施方式，阻尼估计器通过状态观测方法或者自适应方法对系统阻尼进行估计。
根据本公开的至少一个实施方式，步骤(2)中，通过在加载系统中配置可控阻尼部件来对加载系统的系统阻尼进行控制。
根据本公开的至少一个实施方式，可控阻尼部件为可变阻尼结构。
根据本公开的至少一个实施方式，通过配置控制器来接收加载系统的输入信号和阻尼估计器的输出信号；
根据加载系统的输入信号和阻尼估计器的输出信号，控制器输出阻尼控制信号和加载控制信号至由可控阻尼部件和加载系统构成的新控制对象。
根据本公开的至少一个实施方式，新控制对象的输出跟随信号作为加载系统的输出信号发送给阻尼估计器。
根据本公开的至少一个实施方式，控制器输出的阻尼控制信号对可控阻尼部件的阻尼进行控制，使得新控制对象的阻尼达到最优值，即所述加载系统的阻尼达到最优值。
根据本公开的至少一个实施方式，所述控制器输出的阻尼控制信号对所述可控阻尼部件的阻尼大小进行控制，从而控制所述加载系统的阻尼大小。
根据本公开的至少一个实施方式，加载系统为负载模拟器力加载系统或负载模拟器位置加载系统。
本公开的运动动态加载方法，是在力闭环或位置闭环加载控制的基础上从优化系统的阻尼出发，在实际加载系统中加入一个可主动控制阻尼的部件，如在液压加载系统中加入一个比例节流阀，可以通过工控机电控手段控制节流阀开口大小，以调整系统阻尼，又如在电控旋转加载系统中在连接轴上加入变增益阻尼环，以调整系统阻尼。通过在控制算法中增加系统阻尼估计环节，利用观测到的系统阻尼在新增阻尼控制部件的主动控制下，实现将系统阻尼控制到估计的最优系统阻尼系数上。
本公开的动态加载方法实现了：
1)在动态过程中主动控制负载模拟器在加载过程中的阻尼系数，保证加载系统在最佳阻尼条件下进行加载，提高加载精度；
2)加载系统在最佳阻尼条件下加载将减小系统超调，减少液压系统的泄露，提高能效；
3)可在一定频率下抑制系统发散，提高加载系统的稳定性。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开至少一个实施方式的运动动态加载方法的流程示意图。
图2是本公开至少一个实施方式的运动动态加载方法的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
如图1和图2，本实施方式的运动动态加载方法，包括以下步骤：
(1)对加载系统的系统阻尼进行估计；
(2)根据步骤(1)系统阻尼的估计值对系统阻尼进行控制。
在本公开的至少一个实施方式中，步骤(1)中，使用阻尼估计器对系统阻尼进行估计，阻尼估计器通过采集加载系统的输入信号和加载系统的输出信号对系统阻尼进行估计。
在本公开的至少一个实施方式中，阻尼估计器通过状态观测方法或者自适应方法对系统阻尼进行估计，本领域技术人员也可以采用其他合适方法。
在本公开的至少一个实施方式中，步骤(2)中，通过在加载系统中配置可控阻尼部件来对加载系统的系统阻尼进行控制。
在本公开的至少一个实施方式中，可控阻尼部件为可变阻尼结构。
在本公开的至少一个实施方式中，通过配置控制器来接收加载系统的输入信号和阻尼估计器的输出信号；
根据加载系统的输入信号和阻尼估计器的输出信号，控制器输出阻尼控制信号和加载控制信号至由可控阻尼部件和加载系统构成的新控制对象。
在本公开的至少一个实施方式中，新控制对象的输出跟随信号作为加载系统的输出信号发送给阻尼估计器。
在本公开的至少一个实施方式中，控制器输出的阻尼控制信号对可控阻尼部件的阻尼进行控制，使得新控制对象的阻尼达到最优值，即所述加载系统的阻尼达到最优值。
在本公开的至少一个实施方式中，所述控制器输出的阻尼控制信号对所述可控阻尼部件的阻尼大小进行控制，从而控制所述加载系统的阻尼大小。
在本公开的至少一个实施方式中，加载系统为负载模拟器力加载系统或负载模拟器位置加载系统。
更详细的，如图2所示，可控阻尼部件是在实际加载系统中配置一个可变阻尼结构，新增的可变阻尼结构与原加载系统一起构成了新的控制对象，控制器的输出为u1和u2，其中u1为阻尼控制的输入，其作用是控制新控制对象的阻尼的大小，使得新控制对象的阻尼达到最优的ξ*，阻尼估计器通过采集加载系统的输入与输出，通过例如状态观测或者自适应的方法，对加载系统的阻尼进行估计，控制器对加载系统的阻尼进行闭环控制，使得加载系统时时刻刻能够维持在阻尼最佳的状态。控制器输出的u2为正常的力/位置加载控制信号，通过u2的控制，加载系统已经达到了最佳状态，最有利于控制的进行，减轻了u2的控制压力。这样能够降低加载系统超调提高加载系统的加载精度，提高响应速度，具有突出的实用价值。图2中，
Figure BDA0001806041830000052
为估计出的加载系统阻尼,e为根据输出跟随信号y生成的反馈值，加载系统以负载模拟器力加载系统为例。
下面以液压负载模拟器加载系统为例，对上述运动动态加载方法进行验证。
将负载模拟器中的三个基本方程(阀的流量方程，液压马达的连续性方程，液压马达和负载的力平衡方程)并进行拉式变换为：
QL＝KqXv-KcPL (1)
Figure BDA0001806041830000051
PLDm＝Jts2θm+Bmsθm+Gθm+TL (3)
令Kce＝Kc+Ctm即总流量-压力系数
可得
Figure BDA0001806041830000061
当忽略液压马达的弹簧负载刚度令G＝0，且
Figure BDA0001806041830000062
时
Figure BDA0001806041830000063
式中阻尼系数
Figure BDA0001806041830000064
通常负载粘性阻尼系数Bm很小，故系统阻尼系数可化简为
Figure BDA0001806041830000065
易知系统阻尼主要与Kce总流量-压力系数，Dm液压马达排量，βe有效体积弹性模量系数，Jt液压马达和负载折算到马达上的总惯量，Vt液压马达两腔及连接管道总容积有关，而当液压系统一旦搭建后，Dm，βe，Vt皆为常量，而当负载确定后Jt也为常量，所以只能通过改变Kce总流量-压力系数改变阻尼系数。故采用本公开的加载方法即在液压系统中加入可控比例节流阀，使得Kce总流量-压力系数不再是一个常值，而是变为一个可控制的变量即可实现对阻尼系数主动控制。
通过分析负载模拟器系统流量关系可知，当增加比例节流阀后并进行线性化处理其流量关系为：
QL＝KqXv-KcPL-KpXpPL (8)
式中新增的Kp为比例节流阀流量压力系数，等效到总流量压力系数中即：
Kce＝Kc+Ctm+KpXp (9)
由此系统阻尼系数的公式即可表示为
Figure BDA0001806041830000066
即
ζh＝f(Xp) (11)
由式11可知，通过控制比例阀的阀芯位移即可实现在动态过程中对系统阻尼系数的主动控制，进而提高系统加载精度，改善加载质量。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (5)

1.一种运动动态加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）使用阻尼估计器对系统阻尼进行估计，所述阻尼估计器通过采集加载系统的输入信号和加载系统的输出信号对所述系统阻尼进行估计；
（2）通过配置控制器来接收加载系统的输入信号和阻尼估计器的输出信号；通过在加载系统中配置可控阻尼部件来对加载系统的系统阻尼进行控制；根据所述加载系统的输入信号和阻尼估计器的输出信号，所述控制器输出阻尼控制信号和加载控制信号至由所述可控阻尼部件和加载系统构成的新控制对象；
所述新控制对象的输出跟随信号作为所述加载系统的输出信号发送给所述阻尼估计器；
所述控制器输出的阻尼控制信号对所述可控阻尼部件的阻尼进行控制，使得所述新控制对象的阻尼达到最优值，即所述加载系统的阻尼达到最优值。
2.根据权利要求1所述的运动动态加载方法，其特征在于，所述阻尼估计器通过状态观测方法或者自适应方法对所述系统阻尼进行估计。
3.根据权利要求1所述的运动动态加载方法，其特征在于，所述可控阻尼部件为可变阻尼结构。
4.根据权利要求1所述的运动动态加载方法，其特征在于，所述控制器输出的阻尼控制信号对所述可控阻尼部件的阻尼大小进行控制，从而控制所述加载系统的阻尼大小。
5.根据权利要求1至4任一项所述的运动动态加载方法，其特征在于，所述加载系统为负载模拟器力加载系统或负载模拟器位置加载系统。
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