一种直线力加载系统多余力补偿控制装置及补偿控制方法与流程

本发明涉及飞行器作动器动态测试技术领域，具体涉及一种直线力加载系统多余力补偿控制装置及补偿控制方法。

背景技术：

直线力加载系统又叫做负载模拟器，对于直线力加载系统，目前主要技术路线为电液伺服加载系统和电动伺服加载系统；电液伺服加载系统是主流直线力加载系统，技术特点为通过伺服阀控制液压缸来实现直线力加载；电动伺服加载系统技术特点为伺服电机通过滚珠丝杠来实现直线力加载；直线力加载系统为典型被动式加载系统，实际进行测试时被加载作动器的运动会导致多余力产生，即作动器的运动会导致加载在作动器的预加载力偏离预设值，多余力有时候比加载系统最大力还大，不仅影响了作动器动态性能的测试准确性，甚至会导致直线力加载系统的损坏；目前电液伺服加载系统多余力的抑制措施有基于蓄能器的补偿，也有基于速度同步补偿的多余力控制；电动伺服加载系统多余力抑制多是基于速度同步补偿的多余力控制；但目前的电液伺服加载系统存在响应速度慢的缺点，而电动伺服加载系统存在加载精度低的缺点，特别是随着飞行器作动器动态性能的提高，现有的加载系统已无法适应作动器动态性能测试的需求，因此必须研发具有相应速度快、加载精度高的直线力加载系统予以解决。

技术实现要素：

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种直线力加载系统多余力补偿控制装置及补偿控制方法；包括直线加载器、伺服电机、阻尼模块、力传感器、速度传感器a、速度传感器b、速度同步补偿器、系统控制器；伺服电机驱动直线加载器为作动器加载；阻尼模块用于衰减作动器的作动筒速度突变对直线加载器的多余力冲击，衰减作动筒突然加速或减速时的多余力的波动幅度；速度传感器a、速度传感器b用以检测反馈作动器、直线加载器速度之差，将两者之间的速度差输入至系统控制器实现直线对加载力的前馈补偿，抑制作动器的运动对预设加载力的影响；力传感器用以检测反馈实际直线加载力，实时对比预设加载力和反馈力偏差大小，动态调整伺服电机扭矩，以实现加载力闭环pid控制，实现直线加载力高精度控制；本发明的直线力加载系统多余力补偿控制装置及补偿控制方法具有相应速度快、加载精度高的优点，因此完全满足了现有高性能作动器动态性能测试的需求。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：包括基座、左支撑架、右支撑架、直线加载器、伺服电机、阻尼模块、力传感器、导向板、加载头、导杆；所述基座为矩形板状，所述左支撑架、右支撑架分别固定设置在基座上板面左右两侧；所述直线加载器活动设有加载轴，直线加载器固定设置在左支撑架左侧，直线加载器的加载轴穿过左支撑架；所述伺服电机设置有速度传感器b，伺服电机与直线加载器固定连接，通过滚珠丝杠驱动直线加载器的加载轴做直线运动，用于对作动器做轴向直线力加载；所述阻尼模块一端与直线加载器的加载轴固定连接，另一端与加载头固定连接；所述导向板为板状，其与加载头固定连接，当加载头做轴向移动时，带动导向板一起移动；所述力传感器固定粘结在加载头外圆面，用于检测加载头所施加的轴向加载力，加载头的轴向加载力可以为拉力或压力；所述直线加载器的加载轴、阻尼模块、加载头同轴设置，用于保证加载力的稳定性，防止加载压力过大时出现失稳现象；所述左支撑架、右支撑架之间还固定设置有导杆，导向板与导杆滑动连接，导向板通过与导杆的配合，用以提高直线力加载系统的刚度；所述基座还设置有速度传感器a，其用于采集反馈作动器的运动速度；

直线力加载系统多余力补偿控制装置还包括速度同步补偿器、系统控制器；所述速度传感器a、速度传感器b与速度同步补偿器电性连接；所述速度同步补偿器与系统控制器电性连接；所述力传感器与系统控制器电性连接；所述系统控制器与伺服电机电性连接；

直线力加载系统多余力补偿控制装置工作时，作动器固定设置在右支撑架上，作动器的作动筒与加载头固定连接；加载头通过直线加载器的加载轴带动，对作动器的作动筒施加预设加载力；作动器的作动筒与速度传感器a连接，用于采集反馈作动器的运动速度。

进一步的，所述阻尼模块包括壳体、端盖、滑动轴、碟簧；所述壳体设有圆形腔体，所述滑动轴为设有轴肩的短阶梯轴，所述碟簧有若干个，对称设置在滑动轴的轴肩两侧；滑动轴、碟簧共同设置在壳体的圆形腔体中，通过端盖对碟簧施加有预压力；所述滑动轴一端穿过端盖，与加载头固定连接；所述阻尼模块的壳体与直线加载器的加载轴固定连接；对作动器加载时，伺服电机旋转，通过滚珠丝杠驱动直线加载器的加载轴施加加载力，加载力首先传递到阻尼模块的壳体，再经阻尼模块的碟簧传递到加载头，经加载头最终施加在作动器的作动筒上；力传感器采集加载头上的实际加载力，当加载力达到预设值时，伺服电机停止旋转，保持预设加载力。

进一步的，所述速度传感器a为光栅尺，通过其测得的作动筒的位移信号对时间微分得到速度信号；速度传感器a用于采集作动筒的运动速度。

优选的，所述速度传感器a为位移传感器，通过其测得的作动筒的位移信号对时间微分得到速度信号；速度传感器a用于采集作动筒的运动速度。

进一步的，所述速度传感器b为伺服电机的内置角度编码器，通过其测得伺服电机的旋转角度信号对时间微分得到伺服电机的角速度，再通过滚珠丝杠的螺距计算得到加载轴的速度信号；速度传感器b用于采集加载轴的运动速度。

优选的，所述速度传感器b为伺服电机外置的角度传感器，通过其测得伺服电机的旋转角度信号对时间微分得到伺服电机的角速度，再通过滚珠丝杠的螺距计算得到加载轴的速度信号；速度传感器b用于采集加载轴的运动速度。

直线力加载系统多余力补偿控制装置的补偿控制方法，是采用阻尼模块衰减、加载头运动补偿、力传感器反馈闭环pid控制联合控制补偿的方法；其中加载头运动补偿是对力传感器反馈闭环pid控制进行前馈补偿；

所述阻尼模块衰减是利用阻尼模块中设置的碟簧的弹性蓄能作用，衰减作动器的作动筒突然加速或减速时对直线力加载系统产生多余力冲击，从而极大降低作动筒突然加速或减速时的多余力的波动幅度；但由于直线力加载系统中设置有阻尼模块，使得作动器作动筒的运动和多余力之间存在一定相位差，因此力传感器反馈闭环pid控制会滞后于作动器作动筒的运动，增加加载头运动补偿的目的是通过对力传感器反馈闭环pid控制的前馈补偿，来抑制作动器作动筒的速度突变导致的多余力突变；

所述加载头运动补偿是通过速度传感器a、速度传感器b同步采集作动器的作动筒、及加载轴的运动速度，然后将作动筒的运动速度、及加载轴运动速度输入速度同步补偿器进行运算，计算出两者之间的速度差，最后将两者之间的速度差输入至系统控制器，作为补偿加在力传感器反馈闭环pid控制的输出上，用于抑制作动器作动筒的速度突变导致的多余力突变；

所述力传感器反馈补偿为力闭环pid控制，通过比较力传感器采集的加载头上的加载力、与预设加载力的偏差，动态调节伺服电机输出扭矩，经滚珠丝杠转换成直线力，直至力传感器反馈力信号和预设加载力大小的偏差趋近于零。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有以下有益效果：本发明公开的一种直线力加载系统多余力补偿控制装置及补偿控制方法；包括直线加载器、伺服电机、阻尼模块、力传感器、速度传感器a、速度传感器b、速度同步补偿器、系统控制器；伺服电机驱动直线加载器为作动器加载；阻尼模块用于衰减作动器的作动筒速度突变对直线加载器的多余力冲击，衰减作动筒突然加速或减速时的多余力的波动幅度；速度传感器a、速度传感器b用以检测反馈作动器、直线加载器速度之差，将两者之间的速度差输入至系统控制器实现直线对加载力的前馈补偿，抑制作动器的运动对预设加载力的影响；力传感器用以检测反馈实际直线加载力，实时对比预设加载力和反馈力偏差大小，动态调整伺服电机扭矩，以实现加载力闭环pid控制，实现直线加载力高精度控制；本发明的直线力加载系统多余力补偿控制装置及补偿控制方法具有相应速度快、加载精度高的优点，因此完全满足了现有高性能作动器动态性能测试的需求。

附图说明

图1为直线力加载系统多余力补偿控制装置外观示意图；

图2为阻尼模块结构示意图；

图3为直线力加载系统多余力补偿控制装置的补偿控制方法逻辑框图。

图中：1、基座；2、左支撑架；3、右支撑架；4、直线加载器；5、伺服电机；6、阻尼模块；6.1、壳体；6.2、端盖；6.3、滑动轴；6.4、碟簧；7、力传感器；8、导向板；9、加载头；10、导杆；11、速度传感器a；12、作动器。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

一种直线力加载系统多余力补偿控制装置，包括基座1、左支撑架2、右支撑架3、直线加载器4、伺服电机5、阻尼模块6、力传感器7、导向板8、加载头9、导杆10；所述基座1为矩形板状，所述左支撑架2、右支撑架3分别固定设置在基座1上板面左右两侧；所述直线加载器4活动设有加载轴，直线加载器4固定设置在左支撑架2左侧，直线加载器4的加载轴穿过左支撑架2；所述伺服电机5设置有速度传感器b，伺服电机5与直线加载器4固定连接，通过滚珠丝杠驱动直线加载器4的加载轴做直线运动；所述阻尼模块6一端与直线加载器4的加载轴固定连接，另一端与加载头9固定连接；所述导向板8为板状，其与加载头9固定连接；所述力传感器7固定粘结在加载头9外圆面；所述直线加载器4的加载轴、阻尼模块6、加载头9同轴设置；所述左支撑架2、右支撑架3之间还固定设置有导杆10，导向板8与导杆10滑动连接；所述基座1还设置有速度传感器a11；

直线力加载系统多余力补偿控制装置还包括速度同步补偿器、系统控制器；所述速度传感器a11、速度传感器b与速度同步补偿器电性连接；所述速度同步补偿器与系统控制器电性连接；所述力传感器7与系统控制器电性连接；所述系统控制器与伺服电机5电性连接；

直线力加载系统多余力补偿控制装置工作时，作动器12固定设置在右支撑架3上，作动器12的作动筒与加载头9固定连接；且加载头9通过直线加载器4的加载轴带动，对作动器12的作动筒施加预设加载力；作动器12的作动筒与速度传感器a11连接；

所述阻尼模块6包括壳体6.1、端盖6.2、滑动轴6.3、碟簧6.4；所述壳体6.1设有圆形腔体，所述滑动轴6.3为设有轴肩的短阶梯轴，所述碟簧6.4有若干个，对称设置在滑动轴6.3的轴肩两侧；滑动轴6.3、碟簧6.4共同设置在壳体6.1的圆形腔体中，通过端盖6.2对碟簧6.4施加有预压力；所述滑动轴6.3穿过端盖6.2延伸至端盖6.2外侧；所述阻尼模块6的壳体6.1与直线加载器4的加载轴固定连接；所述力传感器7固定粘结在滑动轴6.3外圆周面上；

所述速度传感器a11为光栅尺，通过其测得的作动筒的位移信号对时间微分得到速度信号；

所述速度传感器b为伺服电机5的内置角度编码器，通过其测得伺服电机5的旋转角度信号对时间微分得到伺服电机5的角速度，再通过滚珠丝杠的螺距计算得到加载轴的速度信号。

一种直线力加载系统多余力补偿控制装置，包括基座1、左支撑架2、右支撑架3、直线加载器4、伺服电机5、阻尼模块6、力传感器7、导向板8、加载头9、导杆10；所述基座1为矩形板状，所述左支撑架2、右支撑架3分别固定设置在基座1上板面左右两侧；所述直线加载器4活动设有加载轴，直线加载器4固定设置在左支撑架2左侧，直线加载器4的加载轴穿过左支撑架2；所述伺服电机5设置有速度传感器b，伺服电机5与直线加载器4固定连接，通过滚珠丝杠驱动直线加载器4的加载轴做直线运动；所述阻尼模块6一端与直线加载器4的加载轴固定连接，另一端与加载头9固定连接；所述导向板8为板状，其与加载头9固定连接；所述力传感器7固定粘结在加载头9外圆面；所述直线加载器4的加载轴、阻尼模块6、加载头9同轴设置；所述左支撑架2、右支撑架3之间还固定设置有导杆10，导向板8与导杆10滑动连接；所述基座1还设置有速度传感器a11；

直线力加载系统多余力补偿控制装置还包括速度同步补偿器、系统控制器；所述速度传感器a11、速度传感器b与速度同步补偿器电性连接；所述速度同步补偿器与系统控制器电性连接；所述力传感器7与系统控制器电性连接；所述系统控制器与伺服电机5电性连接；

直线力加载系统多余力补偿控制装置工作时，作动器12固定设置在右支撑架3上，作动器12的作动筒与加载头9固定连接；且加载头9通过直线加载器4的加载轴带动，对作动器12的作动筒施加预设加载力；作动器12的作动筒与速度传感器a11连接；

所述阻尼模块6包括壳体6.1、端盖6.2、滑动轴6.3、碟簧6.4；所述壳体6.1设有圆形腔体，所述滑动轴6.3为设有轴肩的短阶梯轴，所述碟簧6.4有若干个，对称设置在滑动轴6.3的轴肩两侧；滑动轴6.3、碟簧6.4共同设置在壳体6.1的圆形腔体中，通过端盖6.2对碟簧6.4施加有预压力；所述滑动轴6.3穿过端盖6.2延伸至端盖6.2外侧；所述阻尼模块6的壳体6.1与直线加载器4的加载轴固定连接；所述力传感器7固定粘结在滑动轴6.3外圆周面上；

所述速度传感器a11为位移传感器，通过其测得的作动筒的位移信号对时间微分得到速度信号；

所述速度传感器b为伺服电机5外置的角度传感器，通过其测得伺服电机5的旋转角度信号对时间微分得到伺服电机5的角速度，再通过滚珠丝杠的螺距计算得到加载轴的速度信号。

直线力加载系统多余力补偿控制装置的补偿控制方法，包括阻尼模块6衰减、加载头9运动补偿、力传感器7反馈闭环pid控制；其中加载头9运动补偿是对力传感器7反馈闭环pid控制进行前馈补偿，多余力的控制最终通过力传感器7反馈闭环pid控制实现；

所述阻尼模块6衰减是利用阻尼模块6中设置的碟簧6.4的弹性蓄能作用，衰减作动器的作动筒速度突变对直线力加载系统的多余力冲击，从而极大降低作动筒突然加速或减速时的多余力的波动幅度；

所述加载头9运动补偿是通过速度传感器a11、速度传感器b同步采集作动筒、及加载头9的运动速度，然后将作动筒、及加载头9的运动速度输入速度同步补偿器进行运算，计算出两者之间的速度差，最后将两者之间的速度差输入至系统控制器，作为补偿加在力传感器7反馈闭环pid控制的输出上，用于提前抑制作动筒的速度突变导致的多余力突变；

所述力传感器7反馈补偿为力闭环pid控制，通过比较力传感器7采集的实际施加的加载力、与预设加载力的偏差，动态调节伺服电机输出扭矩，输出扭矩经滚珠丝杠转换成加载力，直至力传感器7反馈力信号和预设加载力大小的偏差趋近于零。

本发明未详述部分为现有技术。