CN117073971B - 一种基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于低温风洞试验技术领域，公开了一种基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法。本发明的基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法首先构建几何模型，通过结构变形分析，求解在各受力状态下天平变形和受载情况，以天平最大变形和安全载荷作为限制条件，采用位姿检测信号和天平信号双模复合控制方法设置天平复位路径，利用天平测量输出信号作为反馈，评估天平复位路径的有效性并加以实时修正，最终实现天平安全准确的复位调整。
Description
技术领域
本发明属于低温风洞试验技术领域，具体涉及一种基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法。
背景技术
天平校准系统是风洞天平校准设备。根据校准工作方式，天平校准系统可分为复位式天平校准系统和非复位式天平校准系统。由于复位式天平校准系统与实际测试工况吻合度高，校准结果误差小，因而被广泛采用，是目前应用范围最广的风洞天平校准系统。
复位式天平校准系统的基本工作原理是，通过复位机构调整天平位置和姿态，以补偿风洞天平因受载而产生的变形，从而实现风洞天平校准过程中的力矢量精确加载。常规的复位式天平校准系统由于无机械结构限位，复位仅需根据天平姿态检测结果异向调整即可实现，对复位路径无严格限制。由于低温天平校准中需要对天平体进行精确的控温，为确保温度环境的准确性和低温设备安装，低温天平校准系统通过机械限位对天平变形进行了严格的控制，天平变形被严格限制在很小的范围内（2.5mm以内），当校准中施加载荷较大时，天平变形会被机械限位限制。由于机械限位的存在，天平姿态与受载情况不能准确对应，仅根据天平变形姿态检测反馈信号无法准确描述天平变形情况，特别是多个大的矢量载荷施加时，很容易产生复位策略失效，导致天平卡死，复位失败和天平超载，影响天平校准效率和风洞天平设备安全。
为满足天平变形要求、低温试验箱控温质量和低温试验箱设备安全，低温试验箱被固定安装在设备平台上，且对加载头进行了机械限位，加载头位移被严格限制在2mm以内空间范围内（远小于校准中天平+支杆变形），避免校准过程中由于天平支杆变形，加载头与低温试验箱过孔的接触，导致低温试验箱结构破坏（低温试验箱过孔间隙为2.5mm）。校准中常常出现加载头被一维甚至多维度机械限位的情况，此时，加载头位姿检测结果与天平受载情况关联度下降，加载头位姿检测结果不能反映天平受载变形的真实情况；同时，由于六自由度复位机构设计运动中心与校准中心无法完全重合，导致加载头产生关联运动，若时序控制不当，也易出现控制失效卡死问题，卡死不但会导致校准流程终止，甚至可能会造成天平超载或损坏，上述问题在天平复合变形状态下尤为突出。
当前，亟需为低温天平校准系统发展一种基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为低温天平校准系统提供一种基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法。
本发明的基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法是一种多维空间约束下校准天平及支杆大形变的复位控制方法，具体原理如下：
一是通过空间变换，将由激光位移传感器测到的检测平面中心位姿变换为校准天平中心位姿；将六自由度复位平台中心位姿变换为校准天平中心位姿，复位平台六自由度电动缸的伸缩量均以校准天平中心位姿进行逆解计算得出，解决位姿检测平面中心、天平校准中心和复位台上平面中心不一致问题；
二是在多维空间约束条件下，建立天平复合变形的解耦算法，设计合理的加载策略，使校准天平在每一个加载载荷下始终复位到初始位姿，确保不出现机械限位的情况；
三是将实时采集的天平信号作为安全联锁保护的输入，避免天平过载；
四是针对复位平台六自由度的运动对校准天平位姿的影响，提出六自由度伸缩量的加权优化方法，提高复位的精度与效率。将天平输出信号引入加载头复位控制参数，采用位姿检测信号和天平信号双模复合控制方法；并根据机构运动分析和检测结果，提出各运动控制参数权重，采用加权参数对复位机构进行控制。
本发明的基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法，包括以下步骤：
S10.天平加载，采集天平输出信号和加载头位姿检测信号；
S20.根据加载头位姿检测信号，解算出加载头空间位姿相对于基准位置的变化量，包括角度变化量和位移变化量；
S30.根据天平设计时获取的天平测量矩阵估算天平受载载荷组；
S40.设置天平安全载荷为设计载荷的100%，若天平受载载荷组小于天平安全载荷，执行S50、S60进行复位；若天平受载载荷组大于天平安全载荷，转入S70、S80和S90进行复位；
S50.将加载头姿态解算结果反馈给复位机构，按设定的步长进行复位，步长小于等于天平和支杆满载荷变形的5%；
S60.每完成一个单步复位后，重复S40，直至加载头复位到基准位置；
S70.选取天平受载载荷组中最大的载荷作为控制对象，根据加载头位姿检测结果和载荷与变形对应关系，确定复位机构运动方向，按设定的步长，采取先位移后角度的方式进行复位；
S80.采集天平信号，根据天平设计时获取的天平测量矩阵估算天平受载载荷组；重复执行S70，直至天平受载载荷组全部小于天平安全载荷；
S90.重复执行S50和S60。
本发明的基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法构建几何模型，通过结构变形分析，求解在各受力状态下天平变形和受载情况，以天平最大变形和安全载荷作为限制条件，提出天平复位路径，利用天平测量输出信号作为反馈，评估天平复位路径的有效性并加以实时修正，最终实现天平安全准确的复位调整。
其中，天平复位路径包括位姿检测信号复位控制方法、天平信号复位控制方法，以及位姿检测信号和天平信号双模复合控制方法。
位姿检测信号复位控制方法以加载头空间位置变化参数作为控制量，通过激光位移传感器组等检测装置获取加载头空间位置参数，通过加载头空间位姿解算，获取加载头空间位姿相对于基准位姿的变化量（包括角度和位移），将检测获得的位姿变化量反馈给复位机构，执行S50、S60进行复位；
天平信号复位控制方法：以天平输出信号作为控制对象，计算天平各测量电桥输出信号与零点信号（即未加载状态）的信号变化量，根据天平设计时获取的天平测量矩阵估算天平受载载荷组，选取天平受载载荷组中的最大载荷作为控制对象，以降低天平最大载荷为控制目标，结合加载头空间位姿解算结果，确定复位机构运动方向，按阶梯步长执行S70、S80和S90进行复位运动控制。复位运动过程中，实时计算天平受载载荷组，当最初选定的最大载荷降低后，再选取新的最大载荷作为控制对象，继续按阶梯步长执行S70、S80和S90进行复位运动控制。循环进行复位运动控制，直至加载头复位到基准位置。
位姿检测信号和天平信号双模复合控制方法：设定天平安全载荷极限为设计载荷的100%，当天平受载载荷组小于安全载荷极限，采用位姿检测信号复位控制，当天平载荷组大于安全载荷极限，采用天平信号复位控制。
总而言之，本发明的基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法针对低温天平校准系统多维空间几何约束条件下的复合变形解耦控制问题，提出了天平力信号反馈复位策略和权重系数控制方法，建立了天平姿态解算和信号反馈的复位控制策略，在天平变形姿态检测的基础上通过天平受载变形解算和天平测量信号反馈，设置了天平复位路径，实现复位策略的优化，保证天平设备安全。
附图说明
图1a为实施例1的低温天平校准系统的安装过程示意图（加载支架）；
图1b为实施例1的低温天平校准系统的安装过程示意图（加载支架+加载头）；
图1c为实施例1的低温天平校准系统的安装过程示意图（加载支架+加载头+低温天平，分离状态）；
图1d为实施例1的低温天平校准系统的安装过程示意图（加载支架+加载头+低温天平，组合状态）；
图2a为实施例1的低温天平校准系统的低温天平、加载头和低温试验箱组合体（主视图）；
图2b为实施例1的低温天平校准系统的低温天平、加载头和低温试验箱组合体（图2a的A-A剖视图）。
图中，1.加载头；2.加载头过渡套；3.低温试验箱；4.支撑端过渡套；5.加载头隔热套；6.轴向密封圈；7.支撑端隔热套；8.加载支架；9.低温天平。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1：
本实施例的基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法用于40kN低温天平校准系统，40kN低温天平校准系统为六自由度全自动体轴系天平校准系统，包括：加载支架8、加载头1、低温试验箱3和低温天平9，以及配套的六自由度并联复位机构、砝码加载装置和测量控制系统。
本实施例的低温天平校准系统的安装过程见图1a、图1b、图1c、图1d，加载支架8上先安装低温试验箱3，再依次固定加载头1和低温天平9，低温天平9最后插入低温试验箱3。获得的低温天平9、加载头1和低温试验箱3组合体见图2a和图2b；可见，加载头1、加载头过渡套2、低温天平9和支撑端过渡套4顺序连接，低温天平9外套装低温试验箱3，加载头1和加载头过渡套2之间设置加载头隔热套5，低温天平9和支撑端过渡套4之间设置轴向密封圈6，支撑端过渡套4的末端设置支撑端隔热套7。
低温试验箱3对低温天平9进行温度调整控制。为保证低温试验箱3的温度控制精度，低温试验箱3与加载头1之间仅有2.5mm的间隙，同时，为了确保低温试验箱3结构安装合理，加载头1在法向和横向均进行了严格的机械限位，加载头1的空间运动范围为2mm×2mm。复位机构设置的安全运动步长为：线位移0.2mm，角位移为0.03°。
本实施例的加载头姿态解算和天平信号反馈双模复合控制方法，能够实现加载头1在限位状态和非限位状态下，全自动精确调整复位，其中线位移复位精度优于0.005mm，角位移复位精度优于0.0005°。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (1)
1.一种基于加载头姿态解算和天平信号反馈的复位控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.天平加载，采集天平输出信号和加载头位姿检测信号；
S20.根据加载头位姿检测信号，解算出加载头空间位姿相对于基准位置的变化量，包括角度变化量和位移变化量；
S30.根据天平设计时获取的天平测量矩阵估算天平受载载荷组；
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