CN110286689A - 适用于双轴联动超越负载电液伺服系统的切换主从控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及驱动控制领域，旨在解决现有技术中的控制方法在遇到超越负载问题时，极易造成油缸和攻角机构时快时慢、交替产生振动爬行现象的问题，提供一种适用于双轴联动超越负载电液伺服系统的切换主从控制方法，系统包括被控机构、A轴和B轴；A轴和B轴分别连接被控机构，且通过A轴和B轴的往复直线运动带动被控机构结构；其包括以下步骤：a.确定被控机构的运行角度和两轴位移量的关系：b.判定被控机构的运行方向：c.确定A轴和B轴两轴的主从关系：根据被控机构的运行特性和/或负载特性确定两轴的主/从关系；d.两轴的控制输出：e.角度到位判定与精调。本发明的有益效果是有效保证了机构运行的平稳和运行的稳态精度。

Description

适用于双轴联动超越负载电液伺服系统的切换主从控制方法

技术领域

本发明涉及驱动控制领域，具体而言，涉及适用于双轴联动超越负载电液伺服系统的切换主从控制方法。

背景技术

风洞试验是开展飞行器空气动力学研究最为有效的手段，在飞行器气动布局的选型、性能预测、气动力数据库建设、气动弹性以及强度校核等方面，发挥着不可替代的重要地位。飞行器模型在风洞中进行气动力特性试验时，不仅对风洞流场控制精准度有较高的要求，而且对模型姿态控制机构的精度、运行平稳性也提出了更高的要求。

2.4米跨声速风洞全模试验段是各类飞行器气动力试验的重要平台，其模型常采用尾支撑方式，通过全弯刀机构实现俯仰角的精确控制，过程中上下油缸推拉产生力矩，使全弯刀机构沿圆弧导槽运行，绕旋转中心转动，实现模型俯仰角的精确控制。该机构具有大尺寸、大惯性、大超越负载、大运动范围、大调节速度以及气动载荷波动大的显著特点。在机构运行中，当俯仰角正向运行时，油缸运行方向和负载作用力方向一致，负载作用力变成动力，形成大超越负载，对油缸运动状态有极大的影响，如果不解决好大超越负载问题，极易造成油缸和攻角机构时快时慢、交替产生振动爬行现象，严重时会危及设备安全。

发明内容

本发明旨在提供一种适用于双轴联动超越负载电液伺服系统的切换主从控制方法，以解决现有技术中的控制方法在遇到超越负载问题时，极易造成油缸和攻角机构时快时慢、交替产生振动爬行现象，威胁设备安全的问题。

本发明的实施例是这样实现的：

一种适用于双轴联动超越负载电液伺服系统的切换主从控制方法，所述系统包括被控机构、A轴和B轴；A轴和B轴分别连接所述被控机构，且通过A轴和B轴的往复直线运动带动所述被控机构结构；其包括以下步骤：

a.确定被控机构的运行角度和两轴位移量的关系：

被控机构的运行角度θ由A轴的位移量x₁和B轴的位移量x₂决定，即满足θ＝f(x₁,x₂)；

b.判定被控机构的运行方向：

当Δθ＞0时，判定运行方向为正向；当Δθ＜0时，判定运行方向为负向，其中Δθ＝θ₂-θ₁，θ₂为目标角度，θ₁为初始角度；

c.确定A轴和B轴两轴的主从关系：

根据被控机构的运行特性和/或负载特性确定两轴的主/从关系；

d.两轴的控制输出：

两轴中的主轴的给定通过几何关系结算得出，表征为其中x为角度计算得出的位移量，x为角度/位移转换补偿量的积分迭代，x₁为主轴位移反馈，V₁为主轴速度设定；

从轴的给定表征为其中Δx为从轴随动补偿量，k为随动补偿系数，x₂为从轴位移反馈，V₂为从轴速度设定；

e.角度到位判定与精调：

定义误差|Δθ|，当|Δθ|≤K时，进入系统精调；延时t时刻后发出角度到位信号，期间x积分迭代，通过控制量对系统进行精调。

可选地，在步骤c中，采用在机构正/负向运行中切换主从关系；或者在机构正/负角度区间运行时切换主从关系。

可选地，在步骤c中，采用在机构正/负向运行中切换主从关系；

机构负向运行时，以下油缸为主动轴，上油缸为随动轴；

机构正向运行时，以上油缸为主动轴，下油缸为随动轴。

可选地，在上述步骤中，K取值范围为0.05°～0.5°，t取值范围为100ms～500ms。

与现有技术相比，本方法具有以下优点：

1)在联动电液伺服系统中对两轴采用切换主从的控制方法，相比传统的主从控制方式，具有主/从轴根据负载特性实时切换主轴的特点，解决了机构在不同方向和角度区间运行时由于负载特性差、外负载波动大以及系统稳定性差而导致的机构振动与爬行现象，有效保证了机构运行的平稳性；

2)根据几何关系解算主/从轴的控制给定，并通过角度/位移转换的补偿，保证了角度与位移对应关系的准确性；其次在从轴跟随主轴的过程中，基于角度误差的积分迭代，实施修正补偿控制量，有效提高了主轴控制精度和从轴的跟随精度，提升了机构运行的稳态精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中两轴和被控机构连接的示意图(角度为0)；

图2为本发明实施例中两轴和被控机构连接的示意图(角度为θ)；

图标：11-A轴，12-B轴，13-被控机构；14-圆弧，15-旋转中心。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本发明的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

参见图1，风洞全模俯仰角控制机构主要实现试验模型俯仰角的精确控制，其具有上油缸、下油缸和被控弯刀结构。上油缸作为A轴11、下油缸B轴12，被控弯刀结构为被控机构13，上下油缸做直线往复运行，通过推拉产生力矩，使作为被控机构13的弯刀机构的两端沿圆弧14运行，使得弯刀机构整体绕旋转中心15转动，从而实现连接于其上的模型的俯仰角θ的控制。

步骤a：本实施例中，根据本系统各结构的几何关系，角度θ由Δx₁和Δx₂确定，即满足θ＝f(Δx₁、Δx₂)。其中，两轴位移变化量Δx₁、Δx₂分别是两轴当前时刻位移量x₁、x₂与角度相对零度时的两轴位移量x₁₀、x₂₀的差值。对于本系统中：

当然，对于其他几何关系的系统，本领域技术人员可根据对应的几何关系得出相应的计算方法。

本系统中，设置上油缸和下油缸的行程均为+900mm～-900mm，使得角度θ控制范围为+22°～-22°。

步骤b：根据上述关系，在需要弯刀机构运动至目标角度θ₂时，通过目标角度θ₂和初始角度θ₁的大小关系判断该判定被控机构13的运行方向。判断方式为：当Δθ＞0时，判定运行方向为正向；当Δθ＜0时，判定运行方向为负向，其中Δθ＝θ₂-θ₁；

步骤c：然后根据机构为正/负向运行确定上油缸和下油缸的主从关系；具体地：机构负向运行时，以下油缸为主动轴，上油缸为随动轴；机构正向运行时，以上油缸为主动轴，下油缸为随动轴。

该机构运行中，当俯仰角正向运行时，油缸运行方向和负载作用力方向一致，负载作用力变成动力，形成大超越负载，极易造成油缸和攻角机构时快时慢、交替产生振动爬行现象。为更好的在风洞中模拟飞行器的俯仰姿态，获取准确的气动力试验数据，就需要全模俯仰角控制机构运行平稳和精确定位。发明人实验研究发现，该机构中，为获得机构平稳和精确定位，首先要解决因大超越负载导致主从轴速度和位移不匹配，引起机构振动或爬行的不利特性；其次，提升俯仰角控制机构在定位时的精度。

由于油缸活塞杆处于中间位置时，油液压缩性对系统特性影响最大，动力元件固有频率最低，系统稳定性最差，且随着外负载增大，稳态性能变差，基于上述分析，系统主从关系确定分以下两种情况：

(1)机构负向运行时，上下油缸外负载与活塞运行方向相反，其中，上油缸回拉对机构产生拉力且拉力随角度增大而增大，下油缸外推对机构产生推力且随角度增大而减小。以下油缸为主动轴，上油缸为随动轴；

(2)机构正向运行时，上下油缸外负载与活塞运动方向同向，均是超越负载，其中，上油缸外推对机构产生拉力且拉力随角度减小而减小，下油缸回拉对机构产生推力且随角度减小而增大，以上油缸为主动轴，下油缸为随动轴；

步骤d:计算两轴的控制输出，上位机人机界面设定机构俯仰角控制角度θ，PLC基于几何关系解算出两轴的控制给定和随动补偿量，输出至伺服控制器，完成角度闭环控制。

步骤d中主轴的控制给定表达式为：

其中x为角度计算得出的轴运行位移量，x为角度/位移转换的补偿量的积分迭代，x₁为主轴位移反馈；

随动轴的控制给定表征为：

其中Δx为从轴随动补偿量，k为随动补偿系数，x₂为从轴位移反馈，V₂为从轴速度设定。

在上述步骤中，所述x和x分别为俯仰角度通过几何解算转换的轴位移、角度误差的积分；所述的从轴随动补偿量与两轴轴的当前/初始位置差值相关，系数k取值范围为0.01～1；

步骤e：角度到位判定与精调，定义误差|Δθ|，当|Δθ|≤K，进入误差范围，系统精调，延时t时刻后发出角度到位信号，期间x积分迭代，通过控制量对系统进行精调。

可选地，在上述步骤中，所述的K取值范围为0.05°～0.5°，t取值范围为100ms～500ms。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于双轴联动超越负载电液伺服系统的切换主从控制方法，所述系统包括被控机构、A轴和B轴；A轴和B轴分别连接所述被控机构，且通过A轴和B轴的往复直线运动带动所述被控机构结构；其特征在于，包括以下步骤：

a.确定被控机构的运行角度和两轴位移量的关系：

被控机构的运行角度θ由A轴的位移量x₁和B轴的位移量x₂决定，即满足θ＝f(x₁,x₂)；

b.判定被控机构的运行方向：

当Δθ＞0时，判定运行方向为正向；当Δθ＜0时，判定运行方向为负向，其中Δθ＝θ₂-θ₁，θ₂为目标角度，θ₁为初始角度；

c.确定A轴和B轴两轴的主从关系：

根据被控机构的运行特性和/或负载特性确定两轴的主/从关系；

d.两轴的控制输出：

两轴中的主轴的给定通过几何关系结算得出，表征为μ_x1＝(x+x-x₁)·V₁，其中x为角度计算得出的位移量，x为角度/位移转换补偿量的积分迭代，x₁为主轴位移反馈，V₁为主轴速度设定；

从轴的给定表征为其中Δx为从轴随动补偿量，k为随动补偿系数，x₂为从轴位移反馈，V₂为从轴速度设定；

e.角度到位判定与精调：

定义误差|Δθ|，当|Δθ|≤K时，进入系统精调；延时t时刻后发出角度到位信号，期间x积分迭代，通过控制量对系统进行精调。

2.根据权利要求1所述的适用于双轴联动超越负载电液伺服系统的切换主从控制方法，其特征在于：

在步骤c中，采用在机构正/负向运行中切换主从关系；或者在机构正/负角度区间运行时切换主从关系。

3.根据权利要求2所述的适用于双轴联动超越负载电液伺服系统的切换主从控制方法，其特征在于：

在步骤c中，采用在机构正/负向运行中切换主从关系；

机构负向运行时，以下油缸为主动轴，上油缸为随动轴；

机构正向运行时，以上油缸为主动轴，下油缸为随动轴。

4.根据权利要求1所述的适用于双轴联动超越负载电液伺服系统的切换主从控制方法，其特征在于：

在上述步骤中，K取值范围为0.05°～0.5°，t取值范围为100ms～500ms。