專利名稱：速度同步控制電液負載模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明屬于仿真技術(shù)領(lǐng)域，涉及對飛行器舵面電液伺服加載裝置的改進。
背景技術(shù)：
。電液力矩負載模擬器是基于液壓伺服控制原理，利用力矩反饋實現(xiàn)力矩的閉環(huán)控制，舵機運動干擾是影響力矩控制精度的關(guān)鍵因素，即所謂的多余力。通過拓展系統(tǒng)頻寬和進行多余力補償可以提高系統(tǒng)的性能，改善載荷譜的跟蹤精度?，F(xiàn)有的電液伺服加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，左側(cè)為位置伺服系統(tǒng)，控制舵機的偏轉(zhuǎn)。右側(cè)為力矩伺服系統(tǒng)，產(chǎn)生加載力矩。中間為負載模擬，有一個模擬慣量Jl。舵機轉(zhuǎn)軸、模擬慣量Jl的轉(zhuǎn)軸和加載馬達轉(zhuǎn)軸相互同軸連接，實現(xiàn)對舵機的力矩加載。舵機控制系統(tǒng)是由舵機驅(qū)動器6驅(qū)動舵機伺服閥7控制舵機作動器10運動，舵機角位移傳感器8將舵機的位置信號反饋給舵機驅(qū)動器6，從而實現(xiàn)舵機的位置控制。在實際飛行中，其輸出軸將直接驅(qū)動飛行器舵面運動。力矩指令通過加載控制器4驅(qū)動加載伺服閥1，并控制加載馬達11，然后經(jīng)力矩傳感器3，角位移傳感器2和模擬慣量Jl，通過輸出軸與舵機的輸出軸相連。在工作過程中加載馬達11將與舵機一同運動，同時還要根據(jù)力矩指令要求給舵機施加載荷，這不可避免地要產(chǎn)生一種干擾力，即所謂的多余力。傳統(tǒng)的消除舵機運動干擾的方法是結(jié)構(gòu)不變性原理，如圖1所示的補償環(huán)節(jié)，就是通過角位移傳感器2輸出信號經(jīng)過補償器5輸入到加載控制器4的反相輸入端，對多余力實施補償。該技術(shù)在實際系統(tǒng)中已廣泛使用，但明顯存在著消擾效果難于再改進的問題，特別是受運動擾動頻率的影響，消擾效果有較大的差別，目前市場上最好的消擾能力在80％左右，而且與擾動頻率相關(guān)性太大，特別是頻率較高時多余力消除效果就會變得很差。參見劉長年著“液壓伺服系統(tǒng)優(yōu)化設計理論”，冶金工業(yè)出版社(1989)。

發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明的目的是提供一種更有效地消除舵機運動干擾的飛行器舵面電液伺服加載裝置，可以將消擾能力提高到95％以上。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種速度同步控制電液負載模擬器，包括一個由舵機驅(qū)動器6、舵機伺服閥7、舵機角位移傳感器8和舵機作動器10組成的位置伺服系統(tǒng)，舵機指令信號輸入舵機驅(qū)動器6的同相輸入端，舵機角位移傳感器8的輸出信號輸入舵機驅(qū)動器6的反相輸入端；還包括一個由加載控制器4、加載伺服閥1、加載驅(qū)動器4、加載馬達11、力矩傳感器3、角位移傳感器2和補償器5組成的力矩伺服系統(tǒng)，加載控制器4由兩級放大器串聯(lián)構(gòu)成，力矩指令輸入第一級放大器的同相輸入端，力矩傳感器3的輸出信號輸入第一級放大器的反相輸入端，第一級放大器的輸出信號輸入第二級放大器的同相輸入端，補償器5的輸出信號輸入第二級放大器的反相輸入端；模擬慣量Jl與位置伺服系統(tǒng)和力矩伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸同軸連接，位于兩者之間，其特征在于，舵機驅(qū)動器6的輸出端與補償器5的輸入端連接。
本發(fā)明的優(yōu)點是對多余力的消除作用明顯，經(jīng)實驗證明最好的消擾能力可達95％以上，大大優(yōu)于目前的其他技術(shù)方案。而且方法簡便易行，不用增加任何設備就可以實現(xiàn)，便于推廣使用。
具體實施例方式
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圖1是現(xiàn)有的采用結(jié)構(gòu)不變性原理的電液加載結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的電液加載結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3基于速度同步控制原理的消擾方法示意4是用計算機仿真計算出的本發(fā)明速度同步控制補償方案消除多余力矩的效果圖。
圖5速度同步方案消除多余力矩實驗曲線，其中(a)是舵機頻率為1Hz時多余力矩的對比實驗結(jié)果；(b)是舵機頻率為5Hz時多余力矩的對比實驗結(jié)果；(c)是舵機頻率為10Hz時多余力矩的對比實驗結(jié)果；(d)是舵機頻率為15Hz時多余力矩的對比實驗結(jié)果。
圖6是大力矩馬達情況下的多余力矩消除效果實驗曲線，(a)是原始多余力矩的大小；(b)是進行消擾后的多余力矩消除情況。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明是基于這樣一個思想，從本質(zhì)上講，如果舵機的瞬態(tài)運動速度與加載裝置的瞬態(tài)運動速度可以實時保持一致，就不存在多余力的干擾問題。本發(fā)明的核心是采用舵機的控制信號作為加載器的速度同步指令信號，參加圖2，本發(fā)明的速度同步控制電液負載模擬器，包括一個由舵機驅(qū)動器6、舵機伺服閥7、舵機角位移傳感器8和舵機作動器10組成的位置伺服系統(tǒng)，舵機指令信號輸入舵機驅(qū)動器6的同相輸入端，舵機角位移傳感器8的輸出信號輸入舵機驅(qū)動器6的反相輸入端；還包括一個由加載控制器4、加載伺服閥1、加載驅(qū)動器4、加載馬達11、力矩傳感器3、角位移傳感器2和補償器5組成的力矩伺服系統(tǒng)，加載控制器4由兩級放大器串聯(lián)構(gòu)成，力矩指令輸入第一級放大器的同相輸入端，力矩傳感器3的輸出信號輸入輸入第一級放大器的反相輸入端，第一級放大器的輸出信號輸入第二級放大器的同相輸入端，補償器5的輸出信號輸入第二級放大器的反相輸入端；模擬慣量Jl與位置伺服系統(tǒng)和力矩伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸同軸連接，位于兩者之間，其特征在于，舵機驅(qū)動器6的輸出端與補償器5的輸入端連接。這樣，相當于以完全相同的速度控制信號同時控制舵機與加載馬達，從而保證多余力達到很低的水平。
為了使舵機驅(qū)動器6與補償器5之間更好地隔離，在它們之間串聯(lián)一個隔離器9，它是一個高輸入阻抗的放大器，可以使驅(qū)動器6與補償器5之間有效隔離，以防止干擾。這時，舵機驅(qū)動器6的輸出端經(jīng)過隔離器9之后連接補償器5的輸入端。
圖3是本發(fā)明負載模擬器的控制機理示意。多余力矩的產(chǎn)生和舵機運動角速度直接相關(guān)，如果能夠做到兩者的速度同步就可以消除多余力矩。其實，只有當加載馬達輸出軸角位移與舵機輸出軸等效角位移存在角度差時，才能產(chǎn)生所需的力矩。位置同步控制的目標是減小這一角度差，這和力矩控制相矛盾，位置閉環(huán)和力矩閉環(huán)之間存在很強的耦合關(guān)系，只不過力矩伺服系統(tǒng)的頻帶寬度遠大于位置伺服系統(tǒng)，因此位置同步補償是有效果的。但是如果要達到更高的精度，必須盡可能地做到兩個輸出軸的角速度同步，然而由于速度傳感器的精度和安裝等問題，使得直接速度控制閉環(huán)很難實現(xiàn)。既然如此，那么還有沒有其他的途徑呢？答案是肯定的。既然電路微分后的信號和角速度傳感器的信號滿足不了要求，那么能不能找到舵機系統(tǒng)中存在的其它有用的信號呢？從物理概念上講，使用角速度信號作前饋，無非是希望提前得到舵機的運動信息，以便及時跟上舵機的運動，同時施加力(矩)，這樣的信號完全能夠從舵機的控制回路中得到。舵機的執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部泄漏很小，在低頻段上可以近似為一個積分環(huán)節(jié)，它的輸出為舵機的位移，這時輸入(舵機伺服閥的控制信號)其實就近似為速度信號，這個信號噪聲小、滯后很少，完全可以用來消除多余力矩。這種方案的優(yōu)點在于不需要增加設備，只需要改變相應的軟件和輸入信號就可以了，大大降低了系統(tǒng)的改造成本，充分發(fā)揮了計算機的靈活性。
從另一個角度講，液壓舵機的執(zhí)行機構(gòu)和液壓負載模擬器的執(zhí)行機構(gòu)在數(shù)學模型上是相似的，因此只要使負載模擬器的伺服閥開口與舵機伺服閥開口保持同步，就能夠使兩個系統(tǒng)角速度近似同步。鑒于兩系統(tǒng)閥開口到輸出的傳遞函數(shù)的差異，就需要加入校正環(huán)節(jié)進行補償。負載模擬器執(zhí)行機構(gòu)的復雜模型指出，多余力矩不僅與舵機輸出軸的等效角速度有關(guān)，還與它的角加速度有關(guān)，尤其在頻率較高時這種影響更為突出。所以補償環(huán)節(jié)采用的一般形式為Gc(S)=Kcom(TcomS+1)T1S+1]]>其中T1為濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，濾波器的頻寬一般選擇為舵機系統(tǒng)頻寬的5倍以上；Kcom為補償環(huán)節(jié)的增益；Tcom為補償環(huán)節(jié)中的微分時間常數(shù)。當負載模擬器輸入指令信號為0，舵機干擾為θ(t)＝0.061sin(20πt)時，系統(tǒng)采用該方案消除多余力矩的仿真曲線如圖4所示，圖中，虛線曲線表示未補償時多余力的幅度；實線曲線為采用本發(fā)明后的多余力幅度，可見，多余力基本被消除。
圖5a至圖5d為本發(fā)明的某個負載模擬器實施例在不同頻率下多余力矩消除情況的實驗曲線，舵機的最大角速度均為220°/s。各圖中上邊的曲線為未采取補償措施時的多余力矩，下邊的曲線為使用本發(fā)明后的多余力矩；圖6是大力矩馬達情況下的多余力矩消除效果實驗曲線，(a)是原始多余力矩的大?。?b)是進行消擾后的多余力矩消除情況?？梢钥闯?，采用本發(fā)明以后，大大減小了多余力矩，特別是在高頻段。一般剩余多余力矩不到補償前的5％至10％。仿真和實驗結(jié)果證明了本發(fā)明的有效性。
權(quán)利要求
1.一種速度同步控制電液負載模擬器，包括一個由舵機驅(qū)動器[6]、舵機伺服閥[7]、舵機角位移傳感器[8]和舵機作動器[10]組成的位置伺服系統(tǒng)，舵機指令信號輸入舵機驅(qū)動器[6]的同相輸入端，舵機角位移傳感器[8]的輸出信號輸入舵機驅(qū)動器[6]的反相輸入端；還包括一個由加載控制器[4]、加載伺服閥[1]、加載驅(qū)動器[4]、加載馬達[11]、力矩傳感器[3]、角位移傳感器[2]和補償器[5]組成的力矩伺服系統(tǒng)，加載控制器[4]由兩級放大器串聯(lián)構(gòu)成，力矩指令輸入第一級放大器的同相輸入端，力矩傳感器[3]的輸出信號輸入第一級放大器的反相輸入端，第一級放大器的輸出信號輸入第二級放大器的同相輸入端，補償器[5]的輸出信號輸入第二級放大器的反相輸入端；模擬慣量Jl與位置伺服系統(tǒng)和力矩伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸同軸連接，位于兩者之間，其特征在于，舵機驅(qū)動器[6]的輸出端與補償器[5]的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負載模擬器，其特征在于，舵機驅(qū)動器[6]的輸出端經(jīng)過隔離器[9]之后連接補償器[5]的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明屬于仿真技術(shù)領(lǐng)域，涉及對飛行器舵面電液伺服加載系統(tǒng)的改進。本發(fā)明包括一個位置伺服系統(tǒng)，一個力矩伺服系統(tǒng)，模擬慣量J
文檔編號G06F9/455GK1452065SQ0211659
公開日2003年10月29日 申請日期2002年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月12日
發(fā)明者焦宗夏, 王少萍, 華清, 王曉東, 陶建峰 申請人:北京航空航天大學