本發(fā)明涉及一種用于結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的速度同步加載解耦方法和裝置。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)指的是通過遍布例如飛行器的機(jī)體的加載點(diǎn)對機(jī)體結(jié)構(gòu)物理地施加交變載荷，以觀測機(jī)體結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，從而對例如飛行器的機(jī)體結(jié)構(gòu)的承載能力、疲勞壽命等做出正確評估的測試系統(tǒng)。由于結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的多個加載通道同時對一個承載對象施加不同載荷，加載通道間會產(chǎn)生耦合干擾。

實(shí)際上，結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)通道間相互耦合干擾是存在外界干擾的力閉環(huán)問題，目前已有如何提高力閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度的現(xiàn)有技術(shù)。例如，圖1示出了現(xiàn)有的一種負(fù)載模擬器，其是典型的單通道力(矩)閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1所示，位置伺服系統(tǒng)利用角度傳感器101的采樣信號θ_a進(jìn)行位置閉環(huán)控制；力加載系統(tǒng)利用力矩傳感器102的反饋信號T進(jìn)行力矩閉環(huán)控制。其中，u_a為位置通道的控制信號，θ_r，θ_a分別為位置通道的位置指令和角度采樣，u_L為力通道的控制信號，T_r，T分別為力矩指令與力矩采樣。

對于該力(矩)閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，位置系統(tǒng)的運(yùn)動作為強(qiáng)干擾嚴(yán)重影響加載系統(tǒng)的力控制精度。在工程應(yīng)用中，經(jīng)常采用速度同步方法來消除位置通道的干擾。

具體地，通過計算加載系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以得到加載系統(tǒng)的輸出力矩傳遞函數(shù)為：

其中G_i(s)(i＝1，2，3)為計算過程傳遞函數(shù)，S為拉普拉斯算子。上式中帶sθ_a項即為位置伺服系統(tǒng)運(yùn)動帶來的干擾，其使力加載系統(tǒng)控制精度降低。傳統(tǒng)的速度同步算法提出使用位置伺服系統(tǒng)控制信號u_a近似替代sθ_a，作為力加載系統(tǒng)的補(bǔ)償信號。

具體地，圖2示出了現(xiàn)有的單通道力(矩)閉環(huán)控制系統(tǒng)的速度同步補(bǔ)償方法。其中，力加載通道的補(bǔ)償信號表達(dá)式為

其中，K_com為補(bǔ)償系數(shù)。

在現(xiàn)有的負(fù)載模擬器系統(tǒng)中，將位置伺服通道控制信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋壤h(huán)節(jié)后對力加載通道進(jìn)行補(bǔ)償，可以在一定程度上消除位置伺服通道運(yùn)動干擾對力加載通道控制精度的影響。

然而，現(xiàn)有的速度同步方法僅適用于單個力加載通道的負(fù)載模擬器系統(tǒng)，其可以消除位置伺服通道的運(yùn)動影響，即運(yùn)動干擾，但無法消除力加載系統(tǒng)的力干擾影響。

因此，需要能夠應(yīng)用于具有多個加載通道的結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的基于速度同步原理的加載解耦方法和裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上問題，本發(fā)明提供了一種速度同步加載解耦方法及裝置，其能夠應(yīng)用于具有多個加載通道的結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)，并且能夠解決多個加載通道間由于加載力相互耦合造成的控制精度下降的問題。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種用于結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的速度同步加載解耦方法，包括：

將來自所述結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的多個加載通道的各個加載通道控制信號進(jìn)行線性組合以獲得各個加載通道解耦補(bǔ)償信號，用于補(bǔ)償各個加載通道控制信號。

根據(jù)實(shí)施例，本發(fā)明的用于結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的速度同步加載解耦方法，還包括：

將各個通道加載指令及輸出載荷信號輸入給所述多個加載通道上的各個控制器以獲得所述各個加載通道控制信號。

根據(jù)實(shí)施例，本發(fā)明的用于結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的速度同步加載解耦方法，還包括：

基于經(jīng)過補(bǔ)償?shù)母鱾€加載通道控制信號，獲得各個加載通道的輸出載荷信號。

根據(jù)實(shí)施例，所述各個加載通道控制信號與補(bǔ)償傳遞函數(shù)矩陣的常數(shù)元素進(jìn)行線性組合以獲得所述各個加載通道解耦補(bǔ)償信號，其中所述補(bǔ)償傳遞函數(shù)矩陣基于由所述多個加載通道彼此之間的輸出載荷傳遞系數(shù)作為元素的輸出載荷傳遞系數(shù)矩陣計算得到。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的速度同步加載解耦裝置，用于：

將來自所述結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的多個加載通道的各個加載通道控制信號進(jìn)行線性組合以獲得各個加載通道解耦補(bǔ)償信號，用于補(bǔ)償各個加載通道控制信號。

根據(jù)實(shí)施例，所述各個加載通道控制信號與基于補(bǔ)償傳遞函數(shù)矩陣的常數(shù)元素進(jìn)行線性組合以獲得所述各個加載通道解耦補(bǔ)償信號，其中所述補(bǔ)償傳遞函數(shù)矩陣基于由所述多個加載通道彼此之間的輸出載荷傳遞系數(shù)作為元素的輸出載荷傳遞系數(shù)矩陣計算得到。

根據(jù)實(shí)施例，在用于結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的速度同步加載解耦裝置中，將各個通道加載指令及輸出載荷信號輸入給所述多個加載通道上的各個控制器以獲得各個加載通道控制信號。

根據(jù)實(shí)施例，在用于結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的速度同步加載解耦裝置中，基于經(jīng)過補(bǔ)償?shù)母鱾€加載通道控制信號，獲得各個加載通道的輸出載荷信號。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的單通道力(矩)閉環(huán)控制系統(tǒng)負(fù)載模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是用于現(xiàn)有的單通道力(矩)閉環(huán)控制系統(tǒng)的速度同步補(bǔ)償方法的示意原理圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是用于說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的速度同步加載解耦方法和裝置的示意原理圖。

具體實(shí)施方式

以下參照附圖具體說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的速度同步加載解耦方法和裝置。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)，其具有多個加載通道。為了簡化說明，圖3中僅示出三個加載通道并且以閥控缸對懸臂梁進(jìn)行加載。如圖3所示，作為承載對象的懸臂梁301通過支撐墻302固定在基座303上。其中u_i(i＝1，2，3)代表來自各個加載通道上的伺服閥304的控制信號，F(xiàn)_i(i＝1，2，3)代表各個加載通道上的力傳感器305采集到的力信號。

具體地，當(dāng)某一個加載通道i(i＝1，2，3)對懸臂梁301施加載荷F_i時，懸臂梁301會產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致其他未加載的通道j(j≠i，j＝1，2，3)也會產(chǎn)生變形x_j。通過分析計算可以得到，當(dāng)只有通道J施加載荷F_i·K_ij時，通道j也會產(chǎn)生變形x_j，F(xiàn)_i·K_ij即為通道i對通道j的干擾力，K_ij為通道i對通道j的輸出載荷傳遞系數(shù)，其反映了通道間相互影響程度，可以通過材料力學(xué)或有限元分析得到。因為每個通道都會對其他通道產(chǎn)生力干擾，即結(jié)構(gòu)試驗存在的耦合干擾。

通過分析加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，可以得到每個通道輸出力表達(dá)式為

其中G_i(s)(i＝1，2，3)為傳遞函數(shù)矩陣，u(s)(i＝1，2，3)為控制信號矩陣，F(xiàn)(s)(i＝1，2，3)為輸出力矩陣，K(i＝1，2，3)為輸出載荷傳遞系數(shù)矩陣。

輸出力表達(dá)式中的干擾項是力干擾，由于力信號由傳感器采樣得到，其包含測量噪聲信號，不能直接進(jìn)行微分處理補(bǔ)償，所以先根據(jù)輸出力表達(dá)式得到輸出力與控制信號的關(guān)系如下：

u(s)＝G(s)·F(s)，F(xiàn)(s)＝G^-1(s)·u(s)，

其中G(s)(i＝1，2，3)為傳遞函數(shù)矩陣，將上面公式合并整理得到

在上式中加入解耦補(bǔ)償信號矩陣u_c(s)后，每個加載通道輸出力表達(dá)式為：

由上式可知，為了補(bǔ)償每個通道對其他通道造成的力干擾以提高控制精度，解耦補(bǔ)償信號矩陣u_c(s)的表達(dá)式為

其中G₀(s)為補(bǔ)償傳遞函數(shù)矩陣，s為拉普拉斯算子。

由上式可以看出，解耦補(bǔ)償信號矩陣u_c(s)表示為傳遞函數(shù)矩陣G₀(s)乘以控制信號矩陣u(s)的形式，由于加載通道參數(shù)的相似性，傳遞函數(shù)矩陣中S的高階項相對于常數(shù)項非常小，可以將S項略去，經(jīng)過簡化后，補(bǔ)償傳遞函數(shù)矩陣G₀(s)簡化為一個常數(shù)矩陣，解耦補(bǔ)償信號可以表示為各個加載通道的控制信號的線性組合，即通過各個加載通道的控制信號解耦，即結(jié)構(gòu)試驗速度同步解耦方法。

圖4示出了用于說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的速度同步加載解耦方法和裝置的示意原理圖。

如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的速度同步加載解耦方法，包括：

將各個通道加載指令及輸出載荷信號輸入給多個加載通道上的各個控制器以獲得各個加載通道控制信號u₁、u₂、u₃……；

速度同步加載解耦裝置將各個加載通道控制信號u₁、u₂、u₃……進(jìn)行線性組合以獲得各個加載通道解耦補(bǔ)償信號u_c1、u_c2、u_c3……，用于補(bǔ)償各個加載通道控制信號；以及

基于經(jīng)過補(bǔ)償?shù)母鱾€加載通道控制信號，獲得各個加載通道的輸出載荷信號F₁、F₂、F₃……。

在本實(shí)施例中，示出了具有三個加載通道的結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)，然而如上所述，本發(fā)明不限于此，本發(fā)明的速度同步加載解耦方法可以應(yīng)用到更多通道的結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)中。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種速度同步加載解耦方法，其能夠應(yīng)用于具有多個加載通道的結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)，用于消除加載通道間力耦合干擾，對多個加載通道進(jìn)行解耦控制；并且選取各個加載通道的控制信號作為解耦裝置的輸入信號，該控制信號由于超前于力干擾，并且沒有噪聲，便于采集，因此有利于提高解耦控制精度；另外，由于控制信號通過線性組合的方式來形成解耦補(bǔ)償信號，避免了傳感器采樣信號微分處理，在工程上容易實(shí)現(xiàn)，同時又具有較好的解耦補(bǔ)償效果。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。