CN109725659B - 一种面向伺服系统负载匹配的球窝喷管负载特性辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机电伺服系统技术领域，具体涉及一种面向伺服系统负载匹配的球窝喷管负载特性辨识方法。本发明的方法包括库伦摩擦力矩辨识方法、粘性摩擦力矩辨识方法、弹性力矩辨识方法和惯性力矩计算方法。本发明的方法可辨识出大型球窝喷管比较准确的负载特性参数，实现伺服系统与球窝喷管负载特性的匹配，满足固体火箭推力矢量控制的性能要求。

Description

一种面向伺服系统负载匹配的球窝喷管负载特性辨识方法
技术领域
本发明属于机电伺服系统技术领域，具体涉及一种面向伺服系统负载匹配的球窝喷管负载特性辨识方法。
背景技术
伺服系统是对运载火箭等的飞行控制执行闭环系统的统称，其典型应用之一就是推动发动机喷管实现推力矢量控制，完成对火箭姿态的控制。过去，受客观条件、工艺水平及技术储备制约，我国中大型固体运载火箭的全轴摆动单喷管，均使用柔性喷管。经过数十年的发展，在技术进步与工程经验积累过程中，全面掌握了大型柔性喷管的负载特性，即以线性弹性力矩梯度为主，伴有少量摩擦的负载特性，结合喷管转动部分自身的转动惯量，在推力矢量控制应用的频率范围内，基本可以等效为二阶线性弹性模型。依据线性经典控制理论，结合大量的试验子样及工程经验，总结出完备的基于大型柔性喷管的推力矢量控制伺服系统设计方法。同时，伺服系统也经历了由大型液压伺服系统逐步发展为机电伺服系统逐渐由中小功率到中大功率替换液压伺服系统的过程。可以说，目前国内对中大型柔性喷管的负载特性研究已经比较完备，并积累了大量的工程应用经验，取得了良好的推力矢量控制特性与工程稳定性。
随着我国对固体运载火箭对快速响应能力要求的日益提高，对火箭系统性能指标的不断提升，尤其是对影响固体运载火箭快速响应的存储性、维护性要求的不断提高，柔性喷管逐渐暴露出在维护、保养、测试使用过程中的不足。而大型球窝喷管，作为一项全新的固体发动机推力矢量控制喷管技术，其在储存、维护、保养、测试等方面表现出巨大的技术优势，尤其是大型球窝喷可以实现更大的摆动角度，而总负载力矩大小远低于传动的柔性喷管。因此，在全新研制的新一代运载火箭应用中，具有广泛的应用前景与吸引力，成为未来型号的发展方向之一。
但是，球窝喷管由于其设计原理、结构形式以及使用材料与柔性喷管的不同，表现出与柔性喷管截然不同的负载特性。柔性喷管以典型的弹性负载力矩梯度为主，少量摩擦特性为辅，结合喷管摆动部分自身转动惯量，在推力矢量控制中，表现出典型的二阶弹性负载特性。而球窝喷管则以典型的非线性摩擦负载力矩为主，含有极少量的弹性负载力矩，结合喷管自身摆动部分的转动惯量，表现出极其复杂的非线性摩擦负载特性。
因此，虽然球窝喷管自身表现出较大的技术先进性，但却为机电伺服系统的负载匹配增加了极大的难度。尤其是典型的非线性摩擦负载特性，使其一方面难以使用经典线性控制理论；另一方面，典型的摩擦负载特性，对整个推力矢量控制的动态特性影响非常明显，表现为显著的相位滞后特性。如果能清晰辨识球窝喷管的负载特性，则无法使机电伺服系统的性能与大型球窝喷管负载特性相匹配，严重影响伺服系统的动态特性。但是，随着我国对固体运载火箭性能要求的整体提高，控制系统对动态特性的要求反而进一步增加。这就造成了球窝喷管固有负载特性与控制系统对性能指标要求的双重矛盾。
大型球窝喷管无论是基础理论研究，还是工程应用，在国内都处于起步阶段，没用成熟的理论基础与工程应用经验。结合国内某型号一级固体发动机球窝喷管，分析其负载特性主要有库轮摩擦力矩、粘性摩擦力矩、弹性力矩以及自身惯性力矩组成。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：提供一种大型球窝喷管的负载特性辨识方法，用于固体火箭推力矢量控制用机电伺服系统的负载匹配设计。
本发明的技术方案如下所述：
一种面向伺服系统负载匹配的球窝喷管负载特性辨识方法，包括库伦摩擦力矩辨识方法、粘性摩擦力矩辨识方法、弹性力矩辨识方法和惯性力矩计算方法；由测试控制终端给控制驱动器发送喷管摆角指令，并给控制驱动器提供控制电，控制驱动器将喷管摆角指令解算为机电作动器线位移量，进而运行机电伺服控制算法驱动伺服电机工作，由伺服动力电源提供所需电能，机电作动器中传动机构将伺服电机的旋转运动转换为直线运动，摆动负载喷管；测试过程中，测试控制终端通过总线接收到的伺服系统反馈的状态信息，测试完成后，测试控制终端可以通过数据处理软件处理所有状态信息，通过伺服电机的Iq电流值计算得出球窝喷管的负载力矩值，并画出力矩回环曲线。
库伦摩擦力矩辨识方法中，由测试控制终端分别给控制驱动器发送喷管摆动频率分别为ω1和ω2的喷管摆角指令，测试完成后，通过数据处理得出ω1和ω2两次负载力矩值，然后采用求平均值的方法计算发动机喷管的库伦摩擦力矩Tcou。
粘性摩擦力矩辨识方法中，由测试控制终端给控制驱动器连续发送喷管摆动频率不同暂态信号和三角波信号，测试完成后，得出Iq电流实测曲线，据此数据计算得出球窝喷管的力矩值Tcou+vis，辨识出粘性摩擦力矩Tvis＝Tcou+vis-Tcou。所述暂态信号可以为阶跃信号。
弹性力矩辨识方法中，由测试控制终端给控制驱动器发送梯形波信号，测试完成后，得出Iq电流实测曲线，依据喷管摆动速度为0时的Iq电流，辨识出弹性力矩Tela。
惯性力矩计算方法中，由自身转动惯量和喷管摆动速度计算球窝喷管自身惯性力矩。
本发明的有益效果为：
本发明的一种面向伺服系统负载匹配的球窝喷管负载特性辨识方法，与现有国内外现有方案相比，可辨识出大型球窝喷管比较准确的负载特性参数，实现伺服系统与球窝喷管负载特性的匹配，满足固体火箭推力矢量控制的性能要求。
附图说明
图1为固体运载火箭伺服系统测试原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种面向伺服系统负载匹配的球窝喷管负载特性辨识方法进行详细说明。
固体发动机球窝喷管的设计与使用在国内尚属于起步阶段，对其负载特性的研究主要依赖于伺服系统通过试验摸索其负载特性。根据分析，大型球窝喷管负载特性主要包括库轮摩擦力矩、粘性摩擦力矩、弹性力矩以及自身惯性力矩。因此，本发明涉及库伦摩擦力矩辨识方法、粘性摩擦力矩辨识方法、弹性力矩辨识方法，球窝喷管自身惯性力矩由自身转动惯量和喷管摆动速度决定。
图1所示为典型的固体运载火箭一级机电伺服系统试验情形，图中的负载为大型球窝喷管，由机电伺服系统推动球窝喷管实现不同速度和不同角度的摆动。本实施例中，由测试控制终端给控制驱动器发送喷管摆角指令，并给控制驱动器提供28V控制电，控制驱动器将喷管摆角指令解算为机电作动器线位移量，进而运行机电伺服控制算法驱动伺服电机工作，由伺服动力电源提供所需电能，机电作动器中传动机构将伺服电机的旋转运动转换为直线运动，摆动负载喷管。测试过程中，测试控制终端通过1553B总线接收到的伺服系统反馈的状态信息，测试完成后，测试控制终端可以通过数据处理软件处理所有状态信息，可以通过伺服电机的Iq电流值计算得出球窝喷管的负载力矩值，并画出力矩回环曲线。
(1)库伦摩擦力矩辨识方法
库伦摩擦力矩定义为与相对运动方向相反，即阻碍接触表面相对运动，而其大小与运动速度无关的非线性摩擦力矩。这是球窝喷管表现出的最典型的与柔性喷管不同的负载特性。通常，柔性喷管也存在一定的库伦摩擦力矩，但因其量级非常小，在工程控制的过程中，可以忽略不计，而不会对控制性能产生实质性影响。而球窝喷管存在的库伦摩擦力矩非常显著，构成对控制特性影响最大的负载特性。
辨识库伦摩擦力矩主要依靠低频段的频率特性数据。如在小角度(0.8°左右)、低频信号情况下，认为喷管的粘性摩擦力矩、弹性力矩、惯性力矩基本可以忽略，弹性力矩基本可以忽略。
依据库伦摩擦力与运动速度反向的关系上计算库伦摩擦，如利用频点的数据处理结果，得出一组库伦摩擦力矩结果；利用频点的数据处理结果，得出一组库伦摩擦力矩结果。上述两组数据取平均值处理，可得发动机喷管的库伦摩擦力矩，作为工程上的近似值。
本实施例中，由测试控制终端分别给控制驱动器发送喷管摆动频率为ω1＝1rad/s和ω2＝6.28rad/s，幅值A1＝0.8°的喷管摆角指令，测试完成后，通过数据处理得出ω1和ω2两次负载力矩值，然后采用取不同点后求平均值的方法，并考虑喷管重力矩的影响，因此数据具有典型代表性，可信度高。以某大型球窝喷管试验数据为例，根据ω1频点的Iq电流实测曲线数据画球窝喷管的力矩回环曲线，认为该力矩值为球窝喷管的库伦摩擦力矩Tcou。
(2)粘性摩擦力矩辨识方法
粘性摩擦力矩定义为与相对运动方向相反，即阻碍接触表面相对运动，而其大小与运动速度成正比的线性摩擦力矩。这也是球窝喷管表现出的与柔性喷管不同的负载特性差别。通常，柔性喷管存在一定的粘性摩擦力矩，但其粘性摩擦系数相对较小，仍表现出以弹性负载力矩为主的负载特性。而对于球窝喷管，粘性摩擦系数较大，即随着喷管摆动速度的提高，其摩擦力矩增大非常显著，粘性摩擦力矩的大小占总力矩的主要部分。
由于在工程数值分析中，分析认为粘性摩擦与接触面相对运动速度成线性正比关系，因此辨识粘性摩擦力矩主要依靠暂态特性(阶跃信号)与三角波特性的典型试验数据。在喷管摆动角度过零点时，基本认为不受弹性力矩的影响。即在喷管摆动过程中，只受粘性摩擦力矩与库伦摩擦力矩的影响，根据已经辨识出的库伦摩擦力矩，即可剥离出粘性摩擦力矩。
本实施例中，由测试控制终端给控制驱动器连续发送喷管摆动频率不同、幅值A2＝6°的暂态信号(阶跃信号)和三角波信号，测试完成后，可以得出Iq电流实测曲线，据此数据可以计算得出球窝喷管的力矩值Tcou+vis，辨识出粘性摩擦力矩Tvis＝Tcou+vis-Tcou。
在数据处理过程中，数据点的选取原则为数据曲线较为平稳清晰，由此基本可以排除不确定性干扰因素，使测试数据具有较高的可信度。
(3)弹性力矩辨识方法
球窝喷管为在结构上实现放扭转功能，通常设计一部分弹性力矩，以防止喷管绕火箭沿轴线方向转动，该弹性力矩通常较小。
弹性力矩的分析辨识主要依据在喷管摆动速度为0时的力矩值，认为主要来自于负载的弹性力矩。
本实施例中，由测试控制终端给控制驱动器发送梯形波信号，测试完成后，可以得出Iq电流实测曲线，依据喷管摆动速度为0时的Iq电流，辨识出弹性力矩Tela。
(4)惯性力矩计算方法
惯性力矩是喷管自身存在的固有特性，相对于柔性喷管，球窝喷管在结构设计上通常惯量较大，因此惯性力矩较柔性喷管较大。球窝喷管自身惯性力矩由自身转动惯量和喷管摆动速度决定。

Claims (3)

1.一种面向伺服系统负载匹配的球窝喷管负载特性辨识方法，其特征在于：包括库伦摩擦力矩辨识方法、粘性摩擦力矩辨识方法、弹性力矩辨识方法和惯性力矩计算方法；由测试控制终端给控制驱动器发送喷管摆角指令，并给控制驱动器提供控制电，控制驱动器将喷管摆角指令解算为机电作动器线位移量，进而运行机电伺服控制算法驱动伺服电机工作，由伺服动力电源提供所需电能，机电作动器中传动机构将伺服电机的旋转运动转换为直线运动，摆动负载喷管；伺服系统是对运载火箭飞行控制执行闭环系统的统称，测试过程中，测试控制终端通过总线接收到的伺服系统反馈的状态信息，测试完成后，测试控制终端通过数据处理软件处理所有状态信息，通过伺服电机的Iq电流值计算得出球窝喷管的负载力矩值，并画出力矩回环曲线；
库伦摩擦力矩辨识方法中，由测试控制终端分别给控制驱动器发送喷管摆动频率分别为ω1和ω2的喷管摆角指令，ω1和ω2均为低频段，测试完成后，通过数据处理软件处理所有状态信息得出ω1和ω2两次负载力矩值，然后采用求两次负载力矩值的平均值的方法计算发动机喷管的库伦摩擦力矩Tcou；
粘性摩擦力矩辨识方法中，由测试控制终端给控制驱动器依次发送喷管摆动频率不同暂态信号和三角波信号，测试完成后，得出Iq电流实测曲线，根据Iq电流实测曲线计算得出球窝喷管的力矩值Tcou+vis，辨识出粘性摩擦力矩Tvis＝Tcou+vis-Tcou；
弹性力矩辨识方法中，由测试控制终端给控制驱动器发送梯形波信号，测试完成后，得出Iq电流实测曲线，依据喷管摆动速度为0时的Iq电流，辨识出弹性力矩Tela；
惯性力矩计算方法中，由球窝喷管自身转动惯量和喷管摆动速度计算球窝喷管自身惯性力矩。
2.根据权利要求1所述的一种面向伺服系统负载匹配的球窝喷管负载特性辨识方法，其特征在于：所述暂态信号为阶跃信号。
3.根据权利要求1所述的一种面向伺服系统负载匹配的球窝喷管负载特性辨识方法，其特征在于：ω1＝1rad/s，ω2＝6.28rad/s。
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