电液负载模拟器多余力的舵机指令动态补偿控制方法

摘要

本发明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。本发明能够有效抑制舵机不同频率运动时的多余力。

主权项

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：$T\left(s\right)=\frac{G_s·G_{L2}\left(s\right)·G_{L1}\left(s\right)u_L}{G_{L4}\left(s\right)}-\frac{G_s·G_{L2}\left(s\right)·G_{L3}\left(s\right){\mathrm{s\theta }}_a}{G_{L4}\left(s\right)};$式中：G_L1(s)＝D_LK_qL，G_L2(s)＝J_fs²+B_fs+G_f，$G_{L3}\left(s\right)=(\frac{V_t}{4{\beta }_e}s+K_{cL}+K_{tpL})·(J_{L}s+B_L)+{D_L}^2,$$G_{L4}\left(s\right)=(\frac{V_t}{4{\beta }_e}s+K_{cL}+K_{tpL})·G_{L2}\left(s\right)·G_s+\left(G_{L2}\right(s)+G_s)G_{L3}\left(s\right)·s;$式中：G_s为力矩传感器与传动轴的综合刚度；u_L为加载系统伺服阀的控制电压；s为拉普拉斯算子；θ_a为舵机马达转子的角位移；D_L为加载液压马达的排量；K_qL为加载系统伺服阀的流量增益；J_f为惯性负载的转动惯量；B_f为加载系统负载粘性阻尼系数；G_f为力矩传感器与角度传感器的综合刚度；V_L为加载液压马达的容积；β_e为液压油的弹性模量；C_slL为加载液压马达的泄漏系数；KcL为加载系统伺服阀流量压力系数；J_L为加载液压马达转动惯量；B_L为加载液压马达粘性阻尼系数；将舵机的运动干扰代入加载系统的输出力矩传递函数式中，得到：$T\left(s\right)=\frac{G_s{G}_{L2}{G}_{L6}}{G_{L4}{G}_{L6}-1}[G_{L1}{u}_L-\frac{K_{qa}{G}_{L3}{D}_a{\theta }_{in}}{G_{L5}}],$式中：$G_{L6}\left(s\right)=\frac{G_{L5}\left(s\right)}{G_s{G}_{L2}\left(s\right)G_{L3}\left(s\right)(\frac{V_a}{4{\beta }_e}s+K_c)},$K_c＝K_ca+C_sla；式中：K_qa为舵机伺服阀的流量增益；D_a为舵机液压马达排量；θ_in为舵机控制系统的运动指令；V_a为舵机液压马达控制容积；K_c为舵机控制系统的总流量压力系数；K_ca为舵机伺服阀流量压力系数；C_sla为舵机液压马达泄漏系数；J_a为舵机液压马达转动惯量；B_a为舵机液压马达粘性阻尼系数；基于动态舵机指令前馈补偿控制的加载系统控制输出如下：u_L＝u_pid+G_d·θ_in，式中：u_pid为加载系统力矩闭环PID控制输出，G_d为动态舵机指令前馈补偿环节。将式(3)代入式(2)中，可得：$T\left(s\right)=\frac{G_s{G}_{L2}{G}_{L6}}{G_{L4}{G}_{L6}-1}\left[G_{L1}{u}_{pid}+G_{L1}{G}_{ds}·{\theta }_{in}-\frac{K_{qa}{G}_{L3}{D}_a{\theta }_{in}}{G_{L5}}\right],$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。