电液负载模拟器多余力的舵机指令动态补偿控制方法技术

本发明专利技术涉及一种电液负载模拟器多余力的舵机指令动态补偿控制方法，包括：对电液负载模拟器系统建模；对电液负载模拟器系统的结构变化形式，将舵机控制系统及加载系统分为第一部分及第二部分；第一部分为舵机做位置控制，舵机受到的负载力矩大小与加载系统力矩传感器采集相等；第二部分为加载系统做力矩闭环控制，加载系统受到的运动干扰与舵机角度传感器采集相等；获取加载系统的输出力矩传递函数；将舵机的运动干扰代入加载系统的输出力矩传递函数式中；令基于舵机指令信号消除多余力的控制输出与生成加载系统的多余力和为零，消除加载系统多余力。本发明专利技术能够有效抑制舵机不同频率运动时的多余力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电液负载模拟器多余力的控制方法，尤其涉及一种电液负载模拟器多余力的舵机指令动态补偿控制方法。
技术介绍
负载模拟器是飞行器地面半实物仿真试验中用来模拟舵机受到的外载荷的力矩闭环控制设备。在飞行器地面半实物仿真试验中，仿真计算机根据飞行器飞行的轨迹、当前的速度和高度，实时解算舵面上受的负载力矩，负载模拟器用来模拟舵机所承受的气动载荷，使飞行器在研制阶段控制性能更切近实际飞行状态。负载模拟器的成功应用不但可以缩短飞行器的研制周期、降低研制成本，而且可以提高飞行器研制的成功率。根据实现形式，负载模拟器可分为机械式、电液式、电动式和气动式4种。其中电液负载模拟器具有功率密度大，响应速度快、电磁兼容性好等优点而得到广泛的研究关注。因此，研究高精度的电液负载模拟器具有重要的现实意义。一般情况下，负载模拟器与舵机轴固连在一起，舵机的运动对负载模拟器产生干扰力成为多余力。对舵机而言，加载力矩对舵机控制系统产生外界的干扰，这种干扰是电液负载模拟器模拟舵机在实际飞行中受到气动力矩，该力矩会影响舵机位移输出精度；而对于加载系统而言，舵机的运动对加载系统产生干扰即为多余力，严重的影响加载系统的控制精度。抑制多余力是负载模拟器的需要解决主要问题，如何抑制多余力的问题国内外相关学者开展了广泛的研究，通过控制策略抑制系统的多余力是现在研究的主要方法。“结构不变性理论”方法，利用舵机系统的速度反馈信号进行前馈补偿，其研究揭示了舵机速度是影响多余力的主要原因。焦宗夏等学者提出了速度同步控制算法，其通过采用舵机的阀信号来实现速度同步，在工程中得到了大量应用。姚建勇等学者提出了一种自适应非线性最优补偿控制方法，通过对伺服阀的流量系数和流量压力系数等非线性参数进行在线估计，实时更新速度同步参数。该方法对系统非线性成分进行在线辨识，通过实时调整速度同步参数抑制多余力。但只能补偿速度同步信号的幅值引起的多余力，不能补偿同步信号的相位引起的多余力。汪成文等学者提出自适应速度同步补偿控制，主要应用模型参考自适应的方法，以舵机控制系统为参考模型，调节速度同步参数控制加载系统的速度与舵机的运动速度相一致，来抑制多余力。如果加载系统在做常值0Nm力矩加载时，加载系统的与舵机的运动相等，该方法以舵机控制系统为参考模型，控制加载系统的运动与舵机运动保持一致，如果加载不是做常值0Nm力矩加载，加载系统的与舵机的运动不完全相等，该方法控制加载系统的运动与舵机运动仍需要保持一致，影响加载精度。韩松杉提出了舵机指令前馈补偿的电液负载模拟器同步控制，舵机无法提供速度同步信号时，利用舵机速度指令信号和负载模拟器实现精确的同步补偿，但没有明确的给出补偿环节，以及在舵机不同频率运动时对多余力的抑制能力，特别是在舵机与加载系统(EHLS)动态特性不一致的情况下，抑制多余力的能力。双闭环控制方法的提出，在不能获得速度同步信号的情况下，采用双闭环控制，一个闭环跟踪舵控系统的运动速度，一个闭环是加载系统控制力矩闭环控制统，但没有明确的给出Ctor(s)和Csyn(s)，如果依靠原来的建模会存在一定的误差。然而，现有技术中没有提到抑制舵机不同频率运动时的多余力，特别是在舵机控制系统无法给加载系统提供速度同步信号时，抑制舵机控制系统与加载系统模型不相似时的多余力。
技术实现思路
综上所述，确有必要提供一种能够有效抑制不同频率运动时的多余力的控制方法。一种电液负载模拟器多余力的舵机指令动态补偿控制方法，包括：对电液负载模拟器系统建模，所述电液负载模拟器系统包括加载系统及舵机控制系统相互耦合，所述加载系统包括加载系统伺服阀、加载系统控制器、加载马达、以及力矩传感器；所述舵机控制系统作为伺服系统，包括舵机控制器、舵机伺服阀、惯量盘、角度编码器以及舵机马达；对电液负载模拟器系统的结构变化形式，将舵机控制系统及加载系统分为第一部分及第二部分；第一部分为舵机做位置控制，舵机受到的负载力矩大小与加载系统力矩传感器采集相等；第二部分为加载系统做力矩闭环控制，加载系统受到的运动干扰与舵机角度编码器采集相等；获取加载系统的输出力矩传递函数： T ( s ) = G s · G L 2 ( s ) · G L 1 ( s ) u L G L 4 ( s ) - G s · G L 2 ( s ) · G L 3 ( s ) sθ a G L 4 ( s ) - - - ( 1 ) ; ]]>式中：GL1(s)＝DLKqL，GL2(s)＝Jfs2+Bfs+Gf， G L 3 ( s ) = ( V t 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电液负载模拟器多余力的舵机指令动态补偿控制方法，包括：对电液负载模拟器系统建模，所述电液负载模拟器系统包括加载系统及舵机控制系统相互耦合，所述加载系统包括加载系统伺服阀、加载系统控制器、加载马达、以及力矩传感器；所述舵机控制系统作为位置伺服系统，包括舵机控制器、舵机伺服阀、惯量盘、角度编码器以及舵机马达；对电液负载模拟器系统的结构变化形式，将舵机控制系统及加载系统分为第一部分及第二部分；第一部分为舵机做位置控制，舵机受到的负载力矩大小与加载系统力矩传感器采集相等；第二部分为加载系统做力矩闭环控制，加载系统受到的运动干扰与舵机角度编码器采集相等；获取加载系统的输出力矩传递函数：T(s)=Gs·GL2(s)·GL1(s)uLGL4(s)-Gs·GL2(s)·GL3(s)sθaGL4(s);]]>式中：GL1(s)＝DLKqL，GL2(s)＝Jfs2+Bfs+Gf，GL3(s)=(Vt4βes+KcL+KtpL)·(JLs+BL)+DL2,]]>GL4(s)=(Vt4βes+KcL+KtpL)·GL2(s)·Gs+(GL2(s)+Gs)GL3(s)·s;]]>式中：Gs为力矩传感器与传动轴的综合刚度；uL为加载系统伺服阀的控制电压；s为拉普拉斯算子；θa为舵机马达转子的角位移；DL为加载液压马达的排量；KqL为加载系统伺服阀的流量增益；Jf为惯性负载的转动惯量；Bf为加载系统负载粘性阻尼系数；Gf为力矩传感器与角度传感器的综合刚度；VL为加载液压马达的容积；βe为液压油的弹性模量；CslL为加载液压马达的泄漏系数；KcL为加载系统伺服阀流量压力系数；JL为加载液压马达转动惯量；BL为加载液压马达粘性阻尼系数；将舵机的运动干扰代入加载系统的输出力矩传递函数式中，得到：T(s)=GsGL2GL6GL4GL6-1[GL1uL-KqaGL3DaθinGL5],]]>式中：GL6(s)=GL5(s)GsGL2(s)GL3(s)(Va4βes+Kc),]]>Kc＝Kca+Csla；式中：Kqa为舵机伺服阀的流量增益；Da为舵机液压马达排量；θin为舵机控制系统的运动指令；Va为舵机液压马达控制容积；Kc为舵机控制系统的总流量压力系数；Kca为舵机伺服阀流量压力系数；Csla为舵机液压马达泄漏系数；Ja为舵机液压马达转动惯量；Ba为舵机液压马达粘性阻尼系数；基于动态舵机指令前馈补偿控制的加载系统控制输出如下：uL＝upid+Gd·θin，式中：upid为加载系统力矩闭环PID控制输出，Gd为动态舵机指令前馈补偿环节。将式(3)代入式(2)中，可得：T(s)=GsGL2GL6GL4GL6-1[GL1upid+GL1Gds·θin-KqaGL3DaθinGL5],]]>上式的等式右边第一项为加载系统的PID控制输出，第二项为基于舵机指令信号消除多余力的控制输出，第三项为包含舵机动态性能的对加载系统的影响，即生成加载系统的多余力；令第二项与第三项之和为零，消除加载系统多余力。...

【技术特征摘要】
1.一种电液负载模拟器多余力的舵机指令动态补偿控制方法，包括：对电液负载模拟器系统建模，所述电液负载模拟器系统包括加载系统及舵机控制系统相互耦合，所述加载系统包括加载系统伺服阀、加载系统控制器、加载马达、以及力矩传感器；所述舵机控制系统作为位置伺服系统，包括舵机控制器、舵机伺服阀、惯量盘、角度编码器以及舵机马达；对电液负载模拟器系统的结构变化形式，将舵机控制系统及加载系统分为第一部分及第二部分；第一部分为舵机做位置控制，舵机受到的负载力矩大小与加载系统力矩传感器采集相等；第二部分为加载系统做力矩闭环控制，加载系统受到的运动干扰与舵机角度编码器采集相等；获取加载系统的输出力矩传递函数： T ( s ) = G s · G L 2 ( s ) · G L 1 ( s ) u L G L 4 ( s ) - G s · G L 2 ( s ) · G L 3 ( s ) sθ a G L 4 ( s ) ; ]]>式中：GL1(s)＝DLKqL，GL2(s)＝Jfs2+Bfs+Gf， G L 3 ( s ) = ( V t 4 β e s + K c L + K t p L ) · ( J L s + B L ) + D L 2 , ]]> G L 4 ( s ) = ( V t 4 β e s + K c L + K t p L ) · G L 2 ( s ) · G s + ( G L 2 ( s ) + G s ) G L 3 ( s ) · s ; ]]>式中：Gs为力矩传感器与传动轴的综合刚度；uL为加载系统伺服阀的控制电压；s为拉普拉斯算子；θa为舵机马达转子的角位移；DL为加载液压马达的排量；KqL为加载系统伺服阀的流量增益；Jf为惯性负载的转动惯量；Bf为加载系统负载粘性阻尼系数；Gf为力矩传感器与角度传感器的综合刚度；VL为加载液压马达的容积；βe为液压油的弹性模量；CslL为加载液压马达的泄漏系数；KcL为加载系统伺服阀流量压力系数；JL为加载液压马达转动惯量；BL为加载液压马达粘性阻尼系数；将舵机的运动干扰代入加载系统的输出力矩传递函数式中，得到： T ( s ) = G s G L 2 G L 6 G L 4 G L 6 - 1 [ G L 1 u L - K q a G L 3 D a θ i n G L 5 ] , ]]>式中： G L 6 ( s ) = G L 5 ( s ) G s G L 2 ( s ) G L 3 ( s ) ( V a 4 β e s + K c ) , ]]>Kc＝Kca+Csla；式中：Kqa为舵机伺服阀的流量增益；Da为舵机液压马达排量；θin为舵机控制系统的运动指令；Va为舵机液压马达控制容积；Kc为舵机控制系统的总流量压力系数；Kca为舵机伺服阀流量压力系数；Csla为舵机液压马达泄漏系数；Ja为舵机液压马达转动惯量；Ba为舵机液压马达粘性阻尼系数；基于动态舵机指令前馈补偿控制的加载系统控制输出如下：uL＝upid+Gd·θin，式中：upid为加载系统力矩闭环PID控制输出，Gd为动态舵机指令前馈补偿环节。将式(3)代入式(2)中，可得： T ( s ) = G s G L 2 G L 6 G L 4 G L 6 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦宗夏，李志辉，尚耀星，吴帅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11