本發(fā)明屬于仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法。

背景技術(shù)：

飛機(jī)或艦船在高速航行過程或是改變?cè)泻较驎r(shí)，其舵機(jī)系統(tǒng)要承受來自空氣或水的反作用力，為了測(cè)試舵機(jī)系統(tǒng)帶載特性以及可靠性，需要在研發(fā)過程中對(duì)其進(jìn)行一系列的半實(shí)物仿真加載實(shí)驗(yàn)，該類實(shí)驗(yàn)的主要意義是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,復(fù)現(xiàn)舵機(jī)系統(tǒng)在真實(shí)工況下承受的負(fù)載，而負(fù)載模擬系統(tǒng)的作用正是產(chǎn)生負(fù)載力（矩）對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行加載。負(fù)載模擬器可以用來測(cè)試舵機(jī)系統(tǒng)的帶載特性、考核其機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、評(píng)測(cè)整個(gè)控制系統(tǒng)的性能，負(fù)載模擬系統(tǒng)在航空、航天及武器研發(fā)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求。

半實(shí)物加載仿真實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括負(fù)載模擬系統(tǒng)14和被加載舵機(jī)系統(tǒng)15，負(fù)載模擬系統(tǒng)14和舵機(jī)系統(tǒng)15通過載荷傳感器3連接，舵機(jī)控制器20基于舵機(jī)位置指令和舵機(jī)速度反饋信號(hào)生成控制信號(hào)控制舵機(jī)閥19，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)作動(dòng)器16的運(yùn)動(dòng)控制；加載控制器6根據(jù)載荷譜指令和載荷反饋信號(hào)，基于相應(yīng)的控制算法生成控制量，通過加載閥21控制加載作動(dòng)器1的力輸出。舵機(jī)作動(dòng)器16跟蹤舵機(jī)位置指令運(yùn)動(dòng)，而加載作動(dòng)器1需要在舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程中，跟蹤載荷譜指令對(duì)舵機(jī)進(jìn)行加載，從半實(shí)物加載仿真實(shí)驗(yàn)的流程可見，負(fù)載模擬器是典型的運(yùn)動(dòng)加載系統(tǒng)。

舵機(jī)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)負(fù)載模擬系統(tǒng)的載荷譜跟蹤控制造成了劇烈干擾，國(guó)內(nèi)學(xué)者習(xí)慣將由舵機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的加載跟蹤誤差稱為多余力問題，舵機(jī)運(yùn)動(dòng)干擾是導(dǎo)致載荷模擬不準(zhǔn)確的關(guān)鍵干擾因素，是制約高精度負(fù)載模擬實(shí)驗(yàn)的核心技術(shù)難題。

目前負(fù)載模擬實(shí)驗(yàn)主要通過電液加載裝置實(shí)現(xiàn)，為了抑制舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)干擾，實(shí)現(xiàn)高精度的負(fù)載模擬功能，人們采取了一系列技術(shù)措施。例如，利用舵機(jī)速度信號(hào)進(jìn)行前饋補(bǔ)償方法，該方法的主要問題是存在補(bǔ)償滯后問題，且多余力抑制效果受舵機(jī)自身運(yùn)動(dòng)頻率的影響。專利cn1216328c提出利用舵機(jī)伺服閥的控制信號(hào)替代舵機(jī)速度，意在解決舵機(jī)速度前饋方案存在的補(bǔ)償滯后問題，但這類方法僅適用于液壓閥控舵機(jī)使用，此外基于該方法的加載性能對(duì)補(bǔ)償控制器參數(shù)和舵機(jī)運(yùn)動(dòng)頻率非常敏感。專利cn104564915a提出了一種基于泵閥復(fù)合的雙自由度電液負(fù)載模擬控制方法，該方法提出在傳統(tǒng)閥控加載方案的基礎(chǔ)上增設(shè)一套泵控閉環(huán)子系統(tǒng)，通過閥和泵的復(fù)合控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)加載功能，該方案的主要問題是加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)施成本較高。

通過對(duì)電液負(fù)載模擬器相關(guān)文獻(xiàn)的分析，目前的電液負(fù)載模擬技術(shù)存在以下三個(gè)方面的問題：（1）圖1所示的傳統(tǒng)加載方案中加載閥“身兼二職”，既要負(fù)責(zé)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)干擾的抑制，又要負(fù)責(zé)載荷譜指令的跟蹤，由于加載系統(tǒng)的流量和壓力狀態(tài)的相互耦合，導(dǎo)致基于傳統(tǒng)閥控加載方案載荷譜跟蹤誤差大、負(fù)載模擬精度不高；（2）專利cn104564915a提出的負(fù)載模擬方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)施成本較高；（3）目前的負(fù)載模擬方案未能充分利用舵機(jī)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變阻尼加載，因此亟需一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于實(shí)施的負(fù)載模擬方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決傳統(tǒng)負(fù)載模擬技術(shù)存在的多余力干擾大、節(jié)流損耗大、能量利用效率低、不能滿足高動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬需求等技術(shù)問題，提供一種實(shí)施方便、兼顧加載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及能量利用效率的一種流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法，其對(duì)進(jìn)出口獨(dú)立控制加載裝置的流量和壓力狀態(tài)進(jìn)行分腔協(xié)調(diào)控制，完成高性能負(fù)載模擬功能，進(jìn)出口獨(dú)立控制加載裝置包括加載作動(dòng)器、載荷傳感器、第一流量閥、第二流量閥、加載控制器、液壓動(dòng)力源、油箱、速度伺服控制器、速度指令計(jì)算單元、加載軸軸向剛度比例單元、力反饋信號(hào)微分器和舵機(jī)位置反饋信號(hào)微分器，第二流量閥的a出油口與加載作動(dòng)器的a容腔連接，第一流量閥的b出油口與加載作動(dòng)器的b容腔連接，液壓動(dòng)力源壓力油輸出端分別連接到第一流量閥、第二流量閥的p端口，第一流量閥、第二流量閥的t端口和油箱連接，加載作動(dòng)器的軸體上設(shè)置通過載荷傳感器，載荷傳感器輸出端與加載控制器的反相端連接，加載控制器的同相端通過依次連接的力反饋信號(hào)微分器、加載軸軸向剛度比例單元和速度指令計(jì)算單元的同相端連接，舵機(jī)位置反饋信號(hào)微分器與速度指令計(jì)算單元的同相端連接，速度指令計(jì)算單元的輸出端和速度伺服控制器的同相端連接；本方法首先采集載荷譜指令信號(hào)和舵機(jī)速度反饋信號(hào)，由速度指令計(jì)算單元生成速度控制信號(hào)，再結(jié)合加載作動(dòng)器的速度反饋信號(hào)，由速度伺服控制器生成速度控制指令，速度控制指令輸入第一流量閥和第二流量閥中的一個(gè)流量閥中，控制進(jìn)入或流出加載作動(dòng)器一個(gè)容腔的流量，解耦舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)干擾，利用載荷傳感器反饋信號(hào)和載荷譜指令，基于加載控制器生成加載控制信號(hào)，加載控制信號(hào)輸入第一流量閥和第二流量閥中的另一個(gè)流量閥中，控制加載作動(dòng)器的另外一個(gè)容腔的壓力，通過對(duì)加載作動(dòng)器流量和壓力的分腔獨(dú)立控制，解決舵機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的多余力干擾問題，實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)加載控制。

上述的一種流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法，進(jìn)出口獨(dú)立控制加載裝置中包含兩個(gè)閉環(huán)控制回路,即速度閉環(huán)控制回路和加載閉環(huán)控制回路，速度閉環(huán)控制回路包括速度傳感器、第一流量閥、第二流量閥、速度伺服控制器和速度指令計(jì)算單元，加載閉環(huán)控制回路包括流量第一流量閥、第二流量閥、載荷傳感器和加載控制器。

上述的一種流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法，在任意工作時(shí)刻，加載作動(dòng)器必有一個(gè)容腔處于流量控制模式，而另外一個(gè)容腔處于壓力控制模式，其工作模式根據(jù)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方向和載荷譜指令方向決定。

上述的一種流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法，進(jìn)出口獨(dú)立控制加載裝置中的第一流量閥、第二流量閥可優(yōu)選為三位三通k型比例流量閥或三位三通k型伺服流量閥。

上述的一種流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法，進(jìn)出口獨(dú)立控制加載裝置中的加載作動(dòng)器可為非對(duì)稱單出桿液壓缸、對(duì)稱雙出桿液壓缸、有限擺角液壓擺動(dòng)缸或液壓馬達(dá)。

上述的一種流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法，進(jìn)出口獨(dú)立控制加載裝置中的液壓動(dòng)力源為下述任意一種形式：電機(jī)加定量泵或電機(jī)加變量泵。

上述的一種流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法，舵機(jī)速度反饋信號(hào)通過舵機(jī)指令結(jié)合舵機(jī)辨識(shí)模型產(chǎn)生或舵機(jī)速度傳感器產(chǎn)生。

上述的一種流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法，加載作動(dòng)器的速度反饋信號(hào)通過位置傳感器加微分器和濾波器生成或加載作動(dòng)器速度傳感器產(chǎn)生。

本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1）本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)加載作動(dòng)器流量和壓力狀態(tài)的分腔協(xié)調(diào)控制，消除了舵機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的強(qiáng)迫流量，多余力抑制效果好，負(fù)載模擬精度高。

2）本發(fā)明在逆向加載工況下（加載方向與舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反），可以利用舵機(jī)自身運(yùn)動(dòng)通過控制加載系統(tǒng)流量閥的開口度實(shí)現(xiàn)加載，有效降低加載系統(tǒng)的功率消耗。

3）進(jìn)出口獨(dú)立控制加載裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施成本低的優(yōu)點(diǎn)。

4）本發(fā)明適用場(chǎng)合廣泛，即可對(duì)液壓舵機(jī)加載亦可對(duì)電動(dòng)舵機(jī)加載。

5）進(jìn)出口獨(dú)立控制加載裝置的作動(dòng)器可選型式靈活，可以采用對(duì)稱或非對(duì)稱直線液壓缸，或是擺動(dòng)缸或液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)閥缸負(fù)載模擬原理圖。

圖2是流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬系統(tǒng)的工作模式圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的原理圖。

圖中：1-加載作動(dòng)器，2-速度傳感器，3-載荷傳感器，4-b腔三位三通k型流量閥，5-a腔三位三通k型流量閥，6-加載控制器，7-液壓動(dòng)力源，8-油箱，9-速度伺服控制器，10-速度指令計(jì)算單元，11-加載軸軸向剛度比例單元，12-力反饋信號(hào)微分器，13-舵機(jī)位置反饋信號(hào)微分器，14-負(fù)載模擬系統(tǒng)，15-被加載舵機(jī)系統(tǒng)，16-舵機(jī)作動(dòng)器，17-舵機(jī)速度傳感器，18-舵機(jī)慣量模擬塊，19-舵機(jī)閥，20-舵機(jī)控制器，21-加載閥。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖2和附圖3給出流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法的工作原理以及進(jìn)出口獨(dú)立控制加載裝置的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)施例，在此原理框架下，本專業(yè)技術(shù)人員可基于不同的控制理論和算法，實(shí)現(xiàn)流量壓力分腔協(xié)調(diào)控制負(fù)載模擬方法。

實(shí)施例：

根據(jù)舵機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方向以及載荷譜指令的大小，可將負(fù)加載裝置的工作模式分為四種。為了便于分析，首先對(duì)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向x以及載荷譜指令f的符號(hào)做如下定義：規(guī)定x和f的方向與笛卡爾坐標(biāo)系橫軸正方向一致時(shí)為正，相反時(shí)為負(fù)。

如圖2所示，當(dāng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方向與載荷譜指令方向都是正時(shí)（工作模式1），加載作動(dòng)器a容腔工作在壓力模式，b容腔工作在流量模式；當(dāng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎?、載荷譜指令為負(fù)時(shí)（工作模式2），加載作動(dòng)器a容腔工作在流量模式，b容腔工作在壓力模式；當(dāng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方向與載荷譜指令都是負(fù)時(shí)（工作模式3），加載作動(dòng)器a容腔工作在流量模式，b容腔工作在壓力模式；當(dāng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樨?fù)、載荷譜指令為正時(shí)（工作模式4），加載作動(dòng)器a容腔工作在壓力模式，容腔b工作在流量模式。在任意工作時(shí)刻，加載裝置必處于上述四種模式之一，故加載作動(dòng)器兩個(gè)容腔的工作模式是確定的。

當(dāng)加載裝置處于逆載工作模式下（工作模式2和4），本發(fā)明方法可充分利用舵機(jī)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)干擾，通過調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)壓力控制容腔流量閥的開口度，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)加載，此時(shí)加載作動(dòng)器的流量控制容腔，僅需通過其中一個(gè)流量閥補(bǔ)充（或釋放）舵機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)迫流量即可，此時(shí)加載裝置幾乎不需要從壓力油源系統(tǒng)提取能量，因此本發(fā)明方法較傳統(tǒng)技術(shù)功率消耗更低。

以加載裝置處于工作模式1為例，詳述本發(fā)明的工作原理：

如圖3所示，本實(shí)施例中的進(jìn)出口獨(dú)立控制加載裝置，包括加載作動(dòng)器1、速度傳感器2、載荷傳感器3、b腔三位三通k型流量閥4、a腔三位三通k型流量閥5、加載控制器6、液壓動(dòng)力源7、油箱8、速度伺服控制器9、速度指令計(jì)算單元10、加載軸軸向剛度比例單元11、力反饋信號(hào)微分器12和舵機(jī)位置反饋信號(hào)微分器13，其中加載作動(dòng)器1通過聯(lián)軸器與舵機(jī)慣量模擬塊18剛性連接，加載作動(dòng)器1的b容腔與b腔三位三通k型流量閥4的出油口連接，加載作動(dòng)器1的a容腔與a腔三位三通k型流量閥5的出油口連接，液壓動(dòng)力源7壓力油輸出端分兩路分別連接到流量閥4、5的p端口，流量閥4、5的t端口分別與油箱連接，加載控制器6輸出端和a腔三位三通k型流量閥5連接，速度伺服控制器9輸出端和b腔三位三通k型流量閥4連接，設(shè)置在加載作動(dòng)器1軸體上的速度傳感器2和速度伺服控制器9的反相端連接，舵機(jī)速度傳感器17通過舵機(jī)位置反饋信號(hào)微分器13與速度指令計(jì)算單元10的同相端連接。

加載裝置的速度閉環(huán)控制回路由速度伺服控制器9、速度指令計(jì)算單元10，加載軸軸向剛度比例單元11，力反饋信號(hào)微分器12和舵機(jī)位置反饋信號(hào)微分器13構(gòu)成，其對(duì)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)干擾的解耦控制過程如下：首先采集載荷譜指令信號(hào)和舵機(jī)速度反饋信號(hào)，利用力反饋信號(hào)微分器12和速度指令計(jì)算單元10計(jì)算生成解耦舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)指令信號(hào)，速度伺服控制器9利用該信號(hào)和加載作動(dòng)器速度反饋信號(hào)基于一定的控制算法（比如pid）計(jì)算生成流量控制信號(hào)，控制b腔三位三通k型流量閥4調(diào)節(jié)流出加載作動(dòng)器1的負(fù)載流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)干擾解耦；負(fù)載模擬系統(tǒng)的加載閉環(huán)控制回路利用載荷譜指令信號(hào)和載荷反饋信號(hào)，由加載控制器6生成加載控制信號(hào)，控制流量閥5的閥芯位移進(jìn)而調(diào)節(jié)加載作動(dòng)器a容腔的壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)加載作動(dòng)器輸出力的控制。

所述的加載裝置的加載作動(dòng)器1是非對(duì)稱缸，可以采用對(duì)稱液壓缸、液壓擺動(dòng)缸或液壓馬達(dá)代替非對(duì)稱缸。

所述的液壓動(dòng)力源7可以通過舵機(jī)慣量模擬塊加定量泵方案實(shí)現(xiàn)，也可由舵機(jī)慣量模擬塊加變量泵方案實(shí)現(xiàn)。

所述的三位三通k型流量閥可以是比例流量閥，也可是伺服流量閥。

所述的速度閉環(huán)控制回路，其舵機(jī)速度反饋信號(hào)可以由舵機(jī)運(yùn)動(dòng)指令結(jié)合舵機(jī)辨識(shí)模型產(chǎn)生，進(jìn)而代替舵機(jī)速度傳感器17。

所述的速度閉環(huán)控制回路，其加載作動(dòng)器的速度反饋信號(hào)可以由位置傳感器結(jié)合微分器和濾波器生成，進(jìn)而代替速度傳感器2。