CN1216328C - 速度同步控制电液负载模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿真技术领域，涉及对飞行器舵面电液伺服加载系统的改进。本发明包括一个位置伺服系统，一个力矩伺服系统，模拟惯量J_I位于位置伺服系统和力矩伺服系统之间，其特征在于，位置伺服系统中的舵机驱动器[6]的输出端与力矩伺服系统中补偿器[5]的输入端连接。本发明对多余力的消除作用明显，消扰能力最大可达95%以上。

Description

速度同步控制电液负载模拟器

技术领域

本发明属于仿真技术领域，涉及对飞行器舵面电液伺服加载装置的改进。

背景技术

电液力矩负载模拟器是基于液压伺服控制原理，利用力矩反馈实现力矩的闭环控制，舵机运动干扰是影响力矩控制精度的关键因素，即所谓的多余力。通过拓展系统频宽和进行多余力补偿可以提高系统的性能，改善载荷谱的跟踪精度。现有的电液伺服加载系统的结构原理如图1所示，左侧为位置伺服系统，控制舵机的偏转。右侧为力矩伺服系统，产生加载力矩。中间为负载模拟，有一个模拟惯量J_l。舵机转轴、模拟惯量J_l的转轴和加载马达转轴相互同轴连接，实现对舵机的力矩加载。舵机控制系统是由舵机驱动器6驱动舵机伺服阀7控制舵机作动器10运动，舵机角位移传感器8将舵机的位置信号反馈给舵机驱动器6，从而实现舵机的位置控制。在实际飞行中，其输出轴将直接驱动飞行器舵面运动。力矩指令通过加载控制器4驱动加载伺服阀1，并控制加载马达11，然后经力矩传感器3，角位移传感器2和模拟惯量J_l，通过输出轴与舵机的输出轴相连。在工作过程中加载马达11将与舵机一同运动，同时还要根据力矩指令要求给舵机施加载荷，这不可避免地要产生一种干扰力，即所谓的多余力。传统的消除舵机运动干扰的方法是结构不变性原理，如图1所示的补偿环节，就是通过角位移传感器2输出信号经过补偿器5输入到加载控制器4的反相输入端，对多余力实施补偿。该技术在实际系统中已广泛使用，但明显存在着消扰效果难于再改进的问题，特别是受运动扰动频率的影响，消扰效果有较大的差别，目前市场上最好的消扰能力在80％左右，而且与扰动频率相关性太大，特别是频率较高时多余力消除效果就会变得很差。参见刘长年著“液压伺服系统优化设计理论”，冶金工业出版社(1989)。

发明内容

本发明的目的是：提供一种更有效地消除舵机运动干扰的飞行器舵面电液伺服加载装置，可以将消扰能力提高到95％以上。

本发明的技术方案是：一种速度同步控制电液负载模拟器，包括一个由舵机驱动器6、舵机伺服阀7、舵机角位移传感器8和舵机作动器10组成的位置伺服系统，舵机驱动器6驱动舵机伺服阀7控制舵机作动器10运动，舵机角位移传感器8与舵机作动器10的转轴同轴连接，舵机指令信号输入舵机驱动器6的同相输入端，舵机角位移传感器8的输出信号输入舵机驱动器6的反相输入端；还包括一个由加载控制器4、加载伺服阀1、加载马达11、力矩传感器3、角位移传感器2和补偿器5组成的力矩伺服系统，加载控制器4驱动加载伺服阀1控制加载马达11，力矩传感器3、角位移传感器2与加载马达11的转轴同轴连接，加载控制器4由两级放大器串联构成，力矩指令输入第一级放大器的同相输入端，力矩传感器3的输出信号输入第一级放大器的反相输入端，第一级放大器的输出信号输入第二级放大器的同相输入端，补偿器5的输出信号输入第二级放大器的反相输入端；模拟惯量J_l与位置伺服系统和力矩伺服系统的转轴同轴连接，位于两者之间，其特征在于，舵机驱动器6的输出端与补偿器5的输入端连接。

本发明的优点是：对多余力的消除作用明显，经实验证明最好的消扰能力可达95％以上，大大优于目前的其他技术方案。而且方法简便易行，不用增加任何设备就可以实现，便于推广使用。

附图说明

图1是现有的采用结构不变性原理的电液加载结构示意图。

图2是本发明的电液加载结构示意图。

图3基于速度同步控制原理的消扰方法示意图

图4是用计算机仿真计算出的本发明速度同步控制补偿方案消除多余力矩的效果图。

图5速度同步方案消除多余力矩实验曲线，其中：(a)是舵机频率为1Hz时多余力矩的对比实验结果；(b)是舵机频率为5Hz时多余力矩的对比实验结果；(c)是舵机频率为10Hz时多余力矩的对比实验结果；(d)是舵机频率为15Hz时多余力矩的对比实验结果。

图6是大力矩马达情况下的多余力矩消除效果实验曲线，(a)是原始多余力矩的大小；(b)是进行消扰后的多余力矩消除情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。本发明是基于这样一个思想，从本质上讲，如果舵机的瞬态运动速度与加载装置的瞬态运动速度可以实时保持一致，就不存在多余力的干扰问题。本发明的核心是采用舵机的控制信号作为加载器的速度同步指令信号，参加图2，本发明的速度同步控制电液负载模拟器，包括一个由舵机驱动器6、舵机伺服阀7、舵机角位移传感器8和舵机作动器10组成的位置伺服系统，舵机指令信号输入舵机驱动器6的同相输入端，舵机角位移传感器8的输出信号输入舵机驱动器6的反相输入端；还包括一个由加载控制器4、加载伺服阀1、加载驱动器4、加载马达11、力矩传感器3、角位移传感器2和补偿器5组成的力矩伺服系统，加载控制器4由两级放大器串联构成，力矩指令输入第一级放大器的同相输入端，力矩传感器3的输出信号输入输入第一级放大器的反相输入端，第一级放大器的输出信号输入第二级放大器的同相输入端，补偿器5的输出信号输入第二级放大器的反相输入端；模拟惯量J_l与位置伺服系统和力矩伺服系统的转轴同轴连接，位于两者之间，其特征在于，舵机驱动器6的输出端与补偿器5的输入端连接。这样，相当于以完全相同的速度控制信号同时控制舵机与加载马达，从而保证多余力达到很低的水平。

为了使舵机驱动器6与补偿器5之间更好地隔离，在它们之间串联一个隔离器9，它是一个高输入阻抗的放大器，可以使驱动器6与补偿器5之间有效隔离，以防止干扰。这时，舵机驱动器6的输出端经过隔离器9之后连接补偿器5的输入端。

图3是本发明负载模拟器的控制机理示意。多余力矩的产生和舵机运动角速度直接相关，如果能够做到两者的速度同步就可以消除多余力矩。其实，只有当加载马达输出轴角位移与舵机输出轴等效角位移存在角度差时，才能产生所需的力矩。位置同步控制的目标是减小这一角度差，这和力矩控制相矛盾，位置闭环和力矩闭环之间存在很强的耦合关系，只不过力矩伺服系统的频带宽度远大于位置伺服系统，因此位置同步补偿是有效果的。但是如果要达到更高的精度，必须尽可能地做到两个输出轴的角速度同步，然而由于速度传感器的精度和安装等问题，使得直接速度控制闭环很难实现。既然如此，那么还有没有其他的途径呢？答案是肯定的。既然电路微分后的信号和角速度传感器的信号满足不了要求，那么能不能找到舵机系统中存在的其它有用的信号呢？从物理概念上讲，使用角速度信号作前馈，无非是希望提前得到舵机的运动信息，以便及时跟上舵机的运动，同时施加力(矩)，这样的信号完全能够从舵机的控制回路中得到。舵机的执行机构内部泄漏很小，在低频段上可以近似为一个积分环节，它的输出为舵机的位移，这时输入(舵机伺服阀的控制信号)其实就近似为速度信号，这个信号噪声小、滞后很少，完全可以用来消除多余力矩。这种方案的优点在于不需要增加设备，只需要改变相应的软件和输入信号就可以了，大大降低了系统的改造成本，充分发挥了计算机的灵活性。

从另一个角度讲，液压舵机的执行机构和液压负载模拟器的执行机构在数学模型上是相似的，因此只要使负载模拟器的伺服阀开口与舵机伺服阀开口保持同步，就能够使两个系统角速度近似同步。鉴于两系统阀开口到输出的传递函数的差异，就需要加入校正环节进行补偿。负载模拟器执行机构的复杂模型指出，多余力矩不仅与舵机输出轴的等效角速度有关，还与它的角加速度有关，尤其在频率较高时这种影响更为突出。所以补偿环节采用的一般形式为：

$G_c\left(S\right)=\frac{K_{\mathrm{com}}(T_{\mathrm{com}}S+1)}{T_{1}S+1}$

其中：T₁为滤波环节的时间常数，滤波器的频宽一般选择为舵机系统频宽的5倍以上；K_com为补偿环节的增益；T_com为补偿环节中的微分时间常数。当负载模拟器输入指令信号为0，舵机干扰为θ(t)＝0.061sin(20πt)时，系统采用该方案消除多余力矩的仿真曲线如图4所示，图中，虚线曲线表示未补偿时多余力的幅度；实线曲线为采用本发明后的多余力幅度，可见，多余力基本被消除。

图5a至图5d为本发明的某个负载模拟器实施例在不同频率下多余力矩消除情况的实验曲线，舵机的最大角速度均为220°/s。各图中上边的曲线为未采取补偿措施时的多余力矩，下边的曲线为使用本发明后的多余力矩；图6是大力矩马达情况下的多余力矩消除效果实验曲线，(a)是原始多余力矩的大小；(b)是进行消扰后的多余力矩消除情况。可以看出，采用本发明以后，大大减小了多余力矩，特别是在高频段。一般剩余多余力矩不到补偿前的5％至10％。仿真和实验结果证明了本发明的有效性。

Claims (2)

1、一种速度同步控制电液负载模拟器，包括一个由舵机驱动器[6]、舵机伺服阀[7]、舵机角位移传感器[8]和舵机作动器[10]组成的位置伺服系统，舵机驱动器[6]驱动舵机伺服阀[7]控制舵机作动器[10]运动，舵机角位移传感器[8]与舵机作动器[10]的转轴同轴连接，舵机指令信号输入舵机驱动器[6]的同相输入端，舵机角位移传感器[8]的输出信号输入舵机驱动器[6]的反相输入端；还包括一个由加载控制器[4]、加载伺服阀[1]、加载驱动器[4]、加载马达[11]、力矩传感器[3]、角位移传感器[2]和补偿器[5]组成的力矩伺服系统，加载控制器[4]驱动加载伺服阀[1]控制加载马达[11]，力矩传感器[3]、角位移传感器[2]与加载马达[11]的转轴同轴连接，加载控制器[4]由两级放大器串联构成，力矩指令输入第一级放大器的同相输入端，力矩传感器[3]的输出信号输入第一级放大器的反相输入端，第一级放大器的输出信号输入第二级放大器的同相输入端，补偿器[5]的输出信号输入第二级放大器的反相输入端；模拟惯量J/与位置伺服系统和力矩伺服系统的转轴同轴连接，位于两者之间，其特征在于，舵机驱动器[6]的输出端与补偿器[5]的输入端连接。

2、根据权利要求1所述的负载模拟器，其特征在于，舵机驱动器[6]的输出端经过隔离器[9]之后连接补偿器[5]的输入端。

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