本發(fā)明屬于控制裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制方法。
背景技術(shù)：
：在國(guó)防、航空航天領(lǐng)域及其他方面的科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，通常要求對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行測(cè)試以保證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能。而電動(dòng)舵機(jī)是航空航天領(lǐng)域經(jīng)典的執(zhí)行器件，對(duì)飛行器的正常飛行和機(jī)動(dòng)控制具有重要意義，是一種重要的飛行控制伺服元件，直線舵機(jī)作為一種新型功率電傳作動(dòng)器，具有廣泛的應(yīng)用前景，除可用于飛控系統(tǒng)外，還可用于飛行器上其他需要進(jìn)行作動(dòng)的場(chǎng)合。在早期的直線舵機(jī)研制過(guò)程中，對(duì)直線舵機(jī)性能的測(cè)試往往需要多次進(jìn)行具有自破壞性的全實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這樣不得不浪費(fèi)大量的財(cái)力、物力、人力，造成高額的研制費(fèi)用，而且由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)量和質(zhì)量的限制，難以得到準(zhǔn)確和完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及規(guī)律，造成研制周期的加長(zhǎng)。為了保證直線舵機(jī)的研發(fā)質(zhì)量，并提高其效率，需要使用負(fù)載模擬器復(fù)現(xiàn)直線舵機(jī)在實(shí)際應(yīng)用條件下所受到的力和力矩，考察其在接近實(shí)際條件下的工作情況，以保證直線舵機(jī)的質(zhì)量。機(jī)電作動(dòng)器通用加載系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電液驅(qū)動(dòng)裝置相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低等特點(diǎn)，且在試驗(yàn)過(guò)程中響應(yīng)速度快，易于控制，所以非常適合對(duì)直線舵機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，為其施加所需的各種形式的載荷；而這一加載系統(tǒng)主要包括加載臺(tái)和軟件部分，加載臺(tái)是與待測(cè)直線舵機(jī)直接相連的部分，對(duì)直線舵機(jī)施加力和力矩，故加載臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的，同時(shí)加載臺(tái)的適用范圍和使用的方便性制約著直線舵機(jī)的試驗(yàn)工作；因此，為提高對(duì)直線舵機(jī)的加載精度，有必要研究直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制方法。但是目前國(guó)內(nèi)外負(fù)載模擬器的研究主要集中在旋轉(zhuǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)的扭矩式加載系統(tǒng)，即力矩式負(fù)載模擬器的加載測(cè)試對(duì)象為扭轉(zhuǎn)式電動(dòng)舵機(jī)，其輸出為力矩；而直線負(fù)載模擬器的加載測(cè)試對(duì)象為直線舵機(jī)或直線閥，其輸出為直線力或直線位移。負(fù)載模擬器根據(jù)負(fù)載動(dòng)力來(lái)源的不同，分為機(jī)械式、電液式、氣動(dòng)式和電動(dòng)式四種。目前，直線加載多采用擺桿式、機(jī)械式或彈性桿的方式，這些直線加載方式并不能滿足負(fù)載模擬器自動(dòng)化、智能化的要求，其控制方法也意義甚微。較大力矩加載的應(yīng)用中，主要研究的是以液壓馬達(dá)或作動(dòng)筒為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電液式伺服加載系統(tǒng)，文件1(cn106055753a)公開(kāi)了一種電液負(fù)載模擬器多余力的舵機(jī)指令動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制方法，這種加載方式存在著漏油、維護(hù)不便、對(duì)油污敏感且經(jīng)常性發(fā)生故障等缺點(diǎn)，另外大慣性以及密封摩擦等非線性因素也很大程度上影響了加載精度，而且從控制方法上看，由于承載系統(tǒng)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)和較大的連接剛度對(duì)加載系統(tǒng)造成強(qiáng)位置干擾，導(dǎo)致加載液壓馬達(dá)兩腔產(chǎn)生強(qiáng)迫換流，換流產(chǎn)生強(qiáng)迫壓力，這是引起電液式被動(dòng)式力矩伺服系統(tǒng)多余力矩的主要原因，多余力矩往往很大，嚴(yán)重影響加載精度，而且電液系統(tǒng)存在伺服閥死區(qū)、壓力波動(dòng)等干擾因素及系統(tǒng)參數(shù)易受環(huán)境溫度和工作溫度變化的影響，而成為非線性和時(shí)變因素很強(qiáng)的系統(tǒng)。因此，由于非線性和時(shí)變性因素對(duì)電液負(fù)載模擬器的模型系數(shù)精確性的影響，導(dǎo)致電液負(fù)載模擬器控制器設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜程度加大；文件2(cn106527150a)公開(kāi)了一種氣動(dòng)伺服加載系統(tǒng)的非線性復(fù)合控制方法，但是，由于氣體本身的低剛度、弱阻尼及氣動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)不確定性等特征制約了氣動(dòng)伺服控制技術(shù)的進(jìn)一步研究及應(yīng)用，其控制方法意義甚微；文件3(cn102141484a)公開(kāi)了一種多功能便攜式電動(dòng)伺服控制加載裝置及其加載方法，其加載模式僅為力控制或位移控制下的靜力加載或循環(huán)加載，即只能實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)式加載”，相當(dāng)于靜態(tài)加載，沒(méi)有多余力等干擾因素，但不能實(shí)現(xiàn)針對(duì)直線舵機(jī)的“被動(dòng)式加載”；然而，被動(dòng)式負(fù)載模擬器的動(dòng)態(tài)控制方法一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)方向，但對(duì)負(fù)載模擬器的研究多應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的加載測(cè)試，且多集中于扭轉(zhuǎn)對(duì)扭轉(zhuǎn)的扭矩式加載，而直線式負(fù)載模擬器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且因被測(cè)直線舵機(jī)主動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的多余力更難抑制；采用直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線負(fù)載模擬器存在著局限于主動(dòng)式加載、成本比較高、制造維修不太方便等缺點(diǎn)，并不能對(duì)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的被測(cè)直線舵機(jī)進(jìn)行加載。現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有針對(duì)直線舵機(jī)負(fù)載模擬器的控制方法研究，特別指應(yīng)用在一種高精度直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)控制方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制方法，包括以下步驟：步驟1、對(duì)伺服加載電機(jī)建模，得到伺服加載電機(jī)的電壓平衡方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程；步驟2、將第一波紋管聯(lián)軸器、第二波紋管聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及滾珠絲杠視為系統(tǒng)負(fù)載，該系統(tǒng)負(fù)載與伺服加載電機(jī)剛性連接，將伺服加載電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩tl視為由等效慣性負(fù)載、阻尼負(fù)載及彈性負(fù)載三部分組成，并構(gòu)建輸出轉(zhuǎn)矩平衡方程；構(gòu)建被測(cè)直線舵機(jī)的機(jī)理模型，得到被測(cè)直線舵機(jī)輸出位移和輸入電壓關(guān)系方程；步驟3、將滾珠絲杠作為力/力矩轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，在不考慮滾珠絲杠摩擦扭矩及驅(qū)動(dòng)扭矩的情況下，得到施加到被測(cè)直線舵機(jī)上的直線加載力與伺服加載電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、滾珠絲杠角位移與被測(cè)直線舵機(jī)輸入位移的關(guān)系；步驟4、在上述步驟的基礎(chǔ)上，構(gòu)建直線舵機(jī)加載系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；步驟5、利用步驟4的傳遞函數(shù)分析直線舵機(jī)加載系統(tǒng)的前向通道特性和擾動(dòng)通道特性；步驟6、根據(jù)步驟5中直線舵機(jī)加載系統(tǒng)的前向通道特性和擾動(dòng)通道特性構(gòu)建直線舵機(jī)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制結(jié)構(gòu)，該控制結(jié)構(gòu)包括電流環(huán)、位置環(huán)及力環(huán)的三閉環(huán)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)和角速度前饋補(bǔ)償控制器，并引入stribeck摩擦模型至直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)中；步驟7、將上述直線舵機(jī)加載系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)帶入至步驟4中的傳遞函數(shù)中，作出直線舵機(jī)加載系統(tǒng)伯德圖，由伯德圖或李雅普諾夫方法判定其穩(wěn)定性，如果穩(wěn)定則同時(shí)對(duì)步驟6中的控制器進(jìn)行參數(shù)整定，之后執(zhí)行步驟8，如果不穩(wěn)定則返回步驟6；步驟8、根據(jù)被測(cè)直線舵機(jī)通訊協(xié)議，系統(tǒng)設(shè)置通訊波特率，設(shè)置舵機(jī)啟動(dòng)、偏移、反饋及零位調(diào)整指令，并調(diào)用相應(yīng)rs422串口驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送和接收系統(tǒng)指令；步驟9、上位機(jī)設(shè)定加載模式，加載模式有階躍信號(hào)加載和正弦信號(hào)加載兩種，并將控制指令通過(guò)tcp/ip通信協(xié)議發(fā)送給實(shí)時(shí)控制器，實(shí)時(shí)控制器對(duì)指令進(jìn)行處理后發(fā)送給伺服加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由伺服加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服加載電機(jī)完成加載任務(wù)；從而完成對(duì)直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制。一種對(duì)上述直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法的驗(yàn)證方法，包括以下步驟：步驟a、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、拉壓力傳感器、光柵尺采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并反饋給實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，根據(jù)所發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，完成指令信號(hào)、反饋信號(hào)和誤差信號(hào)的曲線繪制；步驟b、對(duì)于階躍信號(hào)加載，計(jì)算其超調(diào)量e(tp)及調(diào)節(jié)時(shí)間ts；對(duì)于正弦信號(hào)加載，計(jì)算反饋信號(hào)與設(shè)定信號(hào)之間的幅值誤差和相位誤差，之后由“雙十指標(biāo)”評(píng)價(jià)直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法，如果達(dá)到“雙十指標(biāo)”，則表明直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法可行，否則表明當(dāng)前方法不可行。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1)本發(fā)明動(dòng)態(tài)控制方法中的電流環(huán)giq(s)復(fù)矢量pi控制能夠使伺服加載電機(jī)3實(shí)際電流快速準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定電流，縮短動(dòng)態(tài)跟蹤過(guò)程，從而有效提高加載精度，并使伺服加載電機(jī)3的控制性能優(yōu)良于被測(cè)直線舵機(jī)中電機(jī)的控制性能；2)本發(fā)明動(dòng)態(tài)控制方法中的力環(huán)gf(s)利用拉壓力傳感器的反饋值來(lái)控制加載系統(tǒng)的力輸出，位置環(huán)gp(s)用于精確控制伺服加載電機(jī)角位移，角速度前饋補(bǔ)償控制器gω(s)用于跟蹤伺服加載電機(jī)3轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，利用高精度傳感器的實(shí)時(shí)反饋進(jìn)行閉環(huán)控制，有效地保證了直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的力跟蹤精度；3)本發(fā)明的方法引入了stribeck摩擦模型，更加準(zhǔn)確地描述了非線性摩擦因素對(duì)直線舵機(jī)加載系統(tǒng)的影響；4)本發(fā)明以永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)加載系統(tǒng)為具體對(duì)象，同時(shí)考慮直線舵機(jī)特性的影響，有效地考慮了直線舵機(jī)與電動(dòng)加載系統(tǒng)的耦合程度，并抑制了直線舵機(jī)主動(dòng)位移的主動(dòng)力，提高了直線加載系統(tǒng)的加載精度；5)本發(fā)明提出了對(duì)直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制方法的驗(yàn)證方法，并引入“雙十指標(biāo)”來(lái)衡量直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制特性，使得直線負(fù)載模擬器可評(píng)價(jià)性更強(qiáng)；6)本發(fā)明具有廣泛的適用性，通用性好，復(fù)合性強(qiáng)，可以根據(jù)被控機(jī)構(gòu)的的實(shí)際受載變動(dòng)情況，有效地針對(duì)不同尺寸的直線舵機(jī)或不同類(lèi)型的直線伺服機(jī)構(gòu)，并可設(shè)計(jì)使用合適的載荷譜對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬加載；7)本發(fā)明雖然在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但可用于被動(dòng)式加載，技術(shù)比較成熟，加載控制比較方便，制造成本比較低，是一種性?xún)r(jià)比比較高的伺服加載形式。附圖說(shuō)明圖1是被測(cè)直線舵機(jī)30開(kāi)環(huán)對(duì)象控制框圖。圖2是直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)總體控制框圖。圖3是直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的裝置主視圖。圖4是直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的裝置俯視圖。圖5是直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)裝置的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)局部圖。圖6是滾珠絲杠10單個(gè)接觸點(diǎn)受力模型圖。圖7是直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的伯德圖，其中，圖(a)為幅值圖，圖(b)為相角圖。圖8是擾動(dòng)信號(hào)為4mm/2hz時(shí)系統(tǒng)信號(hào)跟蹤結(jié)果。圖9是擾動(dòng)信號(hào)為4mm/5hz時(shí)系統(tǒng)信號(hào)跟蹤結(jié)果。圖10是本發(fā)明的直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制方法流程圖。圖中編號(hào)所代表的含義為：1-基座2-t型槽板3-伺服加載電機(jī)4-伺服加載電機(jī)支座5-1-第一波紋管聯(lián)軸器、5-2-第二波紋管聯(lián)軸器6-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器7-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器支座8-支撐平臺(tái)9-滾珠絲杠副支撐單元10-滾珠絲杠11-滾珠絲杠副螺母12-套筒13-連接板14-光柵尺連接板15-光柵尺讀數(shù)頭16-滑塊17-導(dǎo)軌18-光柵尺19-連接頭20-拉壓力傳感器21-拖鏈22-限位開(kāi)關(guān)擋板23-限位開(kāi)關(guān)支座24-限位開(kāi)關(guān)25-連接節(jié)26-連接軸27-被測(cè)軸套28-微位移傳感器29-微位移傳感器支座30-被測(cè)直線舵機(jī)31-固定夾板32-升降臺(tái)33-編碼器支座34-編碼器35-緊固件具體實(shí)施方式本發(fā)明所用的直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)，包括控制臺(tái)、配電柜和試驗(yàn)臺(tái)，圖3是直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的裝置主視圖，圖4是直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的裝置俯視圖，圖5是直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)裝置的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)局部圖，其中控制臺(tái)包括pc機(jī)、實(shí)時(shí)控制器、機(jī)箱、數(shù)據(jù)采集卡和控制柜，控制臺(tái)用于對(duì)測(cè)控系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行加載閉環(huán)控制并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，配電柜為試驗(yàn)臺(tái)和控制臺(tái)提供動(dòng)力，其中試驗(yàn)臺(tái)包括基礎(chǔ)臺(tái)架、伺服加載系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、被測(cè)直線舵機(jī)系統(tǒng)，其中基礎(chǔ)臺(tái)架包括基座1和t型槽板2，伺服加載系統(tǒng)包括伺服加載電機(jī)3、伺服加載電機(jī)支座4、第一波紋管聯(lián)軸器5-1、第二波紋管聯(lián)軸器5-2、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器6及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器支座7，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括支撐平臺(tái)8、滾珠絲杠副支撐單元9、滾珠絲杠10、滾珠絲杠副螺母11、套筒12、連接板13、光柵尺連接板14、光柵尺讀數(shù)頭15、滑塊16、導(dǎo)軌17、光柵尺18、連接頭19、拉壓力傳感器20、拖鏈21、限位開(kāi)關(guān)擋板22、限位開(kāi)關(guān)支座23、限位開(kāi)關(guān)24及連接節(jié)25，被測(cè)直線舵機(jī)系統(tǒng)包括連接軸26、被測(cè)軸套27、微位移傳感器29、微位移傳感器支座28、被測(cè)直線舵機(jī)30、固定夾板31、升降臺(tái)32、編碼器支座33、編碼器34；所述基礎(chǔ)臺(tái)架中，基座1的頂部設(shè)置t型槽板2，t型槽板2有長(zhǎng)度、寬度兩個(gè)方向的t槽通道，用來(lái)調(diào)整安裝升降臺(tái)以適應(yīng)不同規(guī)格的被測(cè)直線舵機(jī)30，t型槽板2通過(guò)緊固件與基座1連接固定，伺服加載電機(jī)支座4、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器支座7、支撐平臺(tái)8、升降臺(tái)32、編碼器支座33通過(guò)緊固件與t型槽板2連接固定；升降臺(tái)32安裝于寬度方向一側(cè)的t槽通道上，編碼器支座33、伺服加載電機(jī)支座4、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器支座7、支撐平臺(tái)8位于長(zhǎng)度方向的t槽通道上，支撐平臺(tái)8位于編碼器支座33和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器支座7之間，伺服加載電機(jī)支座4位于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器支座7的另一側(cè)；所述伺服加載系統(tǒng)中，伺服加載電機(jī)3通過(guò)緊固件與伺服加載電機(jī)支座4緊固連接，電機(jī)軸與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器6之間通過(guò)第一波紋管聯(lián)軸器5-1相連，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器6與運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的滾珠絲杠10之間通過(guò)第二波紋管聯(lián)軸器5-2相連，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器6通過(guò)緊固件安裝在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器支座7上；所述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，支撐平臺(tái)8上設(shè)置滾珠絲杠副支撐單元9、導(dǎo)軌17、光柵尺18、限位開(kāi)關(guān)支座23以及拖鏈21的固定端；滾珠絲杠10一端固定，另一端自由，固定端由滾珠絲杠副支撐單元9固定，滾珠絲杠副支撐單元9通過(guò)緊固件固定到支撐平臺(tái)8上；滾珠絲杠副螺母11與套筒12前端通過(guò)緊固件連接，套筒12上端面通過(guò)緊固件與連接板13固定，套筒12尾端通過(guò)緊固件與連接頭19連接固定以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)輸出；套筒12端部被限制在支撐平臺(tái)8中部以實(shí)現(xiàn)機(jī)械限位，限位開(kāi)關(guān)支座23安裝在支撐平臺(tái)8側(cè)面，限位開(kāi)關(guān)擋板22安裝在連接板13上，限位開(kāi)關(guān)24安裝在限位開(kāi)關(guān)支座23上以實(shí)現(xiàn)電氣限位；連接板13中部與套筒12通過(guò)緊固件連接固定，連接板13兩端與滑塊16連接固定，并通過(guò)直線導(dǎo)軌的作用限制滾珠絲杠副螺母11和套筒12的轉(zhuǎn)動(dòng)，確保套筒12輸出直線運(yùn)動(dòng)，連接板13與光柵尺連接板14通過(guò)緊固件連接固定；光柵尺18安裝在支撐平臺(tái)8一凹槽內(nèi)，光柵尺讀數(shù)頭15與光柵尺連接板14通過(guò)緊固件連接固定，光柵尺18采集系統(tǒng)的位移信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；拉壓力傳感器20一端與連接頭19通過(guò)螺紋連接，另一端與連接節(jié)25通過(guò)螺紋連接，拉壓力傳感器20一側(cè)安裝有信號(hào)線，信號(hào)線將加載力反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，信號(hào)線置于拖鏈21中，拖鏈21移動(dòng)端固定在連接板13上，拖鏈21固定端安裝在支撐平臺(tái)8上；連接節(jié)25螺紋端與拉壓力傳感器20以螺紋方式連接，另一端通過(guò)連接軸26與被測(cè)直線舵機(jī)30連接；所述被測(cè)直線舵機(jī)系統(tǒng)中，被測(cè)軸套27與連接軸26配合連接，微位移傳感器29安裝在微位移傳感器支座28上，微位移傳感器29測(cè)得被測(cè)軸套27的位移輸出并反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，被測(cè)直線舵機(jī)30通過(guò)固定夾板31固定安裝在升降臺(tái)32上，升降臺(tái)32一側(cè)裝有高度微調(diào)旋鈕，可滿足不同類(lèi)型被測(cè)直線舵機(jī)30對(duì)中性的要求，微位移傳感器支座28通過(guò)緊固件固定在升降臺(tái)32上；編碼器支座33安裝在t型槽板2上，編碼器34安裝在編碼器支座33上，被測(cè)直線舵機(jī)30輸出軸另一側(cè)與編碼器34相連；所述的伺服加載電機(jī)3、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器6、滾珠絲杠10、連接頭19、拉壓力傳感器20、連接節(jié)25、被測(cè)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)30及編碼器34同軸連接；所述的套筒12、連接板13、光柵尺連接板14、限位開(kāi)關(guān)擋板22及限位開(kāi)關(guān)支座23采用高強(qiáng)度硬鋁合金材料；連接頭19、連接節(jié)25、連接軸26采用45鋼材料并調(diào)質(zhì)處理；所述配電柜包括伺服加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、可編程電源及制動(dòng)電阻，加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與試驗(yàn)臺(tái)中的伺服加載電機(jī)3通過(guò)電機(jī)制動(dòng)抱閘線纜、反饋線纜相連，加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與控制器相連，可編程電源為被測(cè)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)30供電；所述控制臺(tái)包括上位機(jī)、實(shí)時(shí)控制器、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)處理系統(tǒng)、機(jī)箱及接線盒，上位機(jī)中安裝測(cè)控軟件，上位機(jī)通過(guò)tcp/ip通信協(xié)議與實(shí)時(shí)控制器通信并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)控制器與加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、被測(cè)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器相連；上位機(jī)設(shè)定加載模式并將控制指令通過(guò)tcp/ip通信協(xié)議發(fā)送給實(shí)時(shí)控制器，實(shí)時(shí)控制器對(duì)指令進(jìn)行處理后發(fā)送給伺服加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由伺服加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服加載電機(jī)完成加載任務(wù)，同時(shí)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器6、拉壓力傳感器20、光柵尺18采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并反饋給實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。一種基于上述直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制方法，其步驟為：步驟1、對(duì)伺服加載電機(jī)3建模，得到伺服加載電機(jī)3的電壓平衡方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程；伺服加載電機(jī)3為面貼式隱極永磁同步電機(jī)，為保證加載精度，伺服加載電機(jī)3采用矢量控制法；當(dāng)采用面貼式永磁同步電機(jī)時(shí)，根據(jù)永磁同步電機(jī)在d-q軸系下模型，得到伺服加載電機(jī)3的電壓平衡方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程；其中，電壓平衡方程為：式中，uq、iq分別為伺服加載電機(jī)3定子在q軸上的電壓和電流；lm為等效電感；rm為定子繞組電阻；ke為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；ωm為伺服加載電機(jī)3轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；伺服加載電機(jī)3的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：式中，tm為伺服加載電機(jī)3電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；jm為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；bm為電機(jī)阻尼系數(shù)；tl為伺服加載電機(jī)3輸出轉(zhuǎn)矩。步驟2、直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)將伺服加載電機(jī)3的扭矩輸出需經(jīng)聯(lián)軸器、滾珠絲杠副等元件轉(zhuǎn)換為直線加載力，而運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換元件的剛度會(huì)在一定程度上影響加載性能；將第一波紋管聯(lián)軸器5-1、第二波紋管聯(lián)軸器5-2、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器6及滾珠絲杠10視為系統(tǒng)負(fù)載，該系統(tǒng)負(fù)載與伺服加載電機(jī)3剛性連接，將伺服加載電機(jī)3輸出轉(zhuǎn)矩tl視為由等效慣性負(fù)載、阻尼負(fù)載及彈性負(fù)載三部分組成，并構(gòu)建輸出轉(zhuǎn)矩平衡方程；構(gòu)建被測(cè)直線舵機(jī)30的機(jī)理模型，得到被測(cè)直線舵機(jī)30輸出位移和輸入電壓關(guān)系方程；其中，輸出轉(zhuǎn)矩平衡方程為：式中，jl為負(fù)載等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；bl為負(fù)載等效阻尼系數(shù)；kl為負(fù)載等效彈性剛度系數(shù)；θl為負(fù)載對(duì)應(yīng)滾珠絲杠10角位移；θm為伺服加載電機(jī)3角位移；被測(cè)直線舵機(jī)30采用高減速比的間接驅(qū)動(dòng)方案，即電機(jī)加減速器及滾珠絲杠副的傳動(dòng)形式，所采用電機(jī)為直流力矩電機(jī)，圖1是被測(cè)直線舵機(jī)30開(kāi)環(huán)對(duì)象控制框圖，被測(cè)直線舵機(jī)30輸入電壓和輸出位移關(guān)系方程：式中，u為被測(cè)直線舵機(jī)30輸入電壓；l1為被測(cè)直線舵機(jī)30輸出位移；kdm為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)；kd0為電機(jī)功放系數(shù)；kj為被測(cè)直線舵機(jī)30的減速比；p1為被測(cè)直線舵機(jī)30中滾珠絲杠導(dǎo)程；kde為電機(jī)反電勢(shì)系數(shù)；rd為電機(jī)電樞電阻；ld為電機(jī)電樞電感；jd為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；bd為電機(jī)阻尼系數(shù)。圖1中，id為被測(cè)直線舵機(jī)30電機(jī)電流；td為被測(cè)直線舵機(jī)30電機(jī)輸出力矩；ωd為被測(cè)直線舵機(jī)30電機(jī)角速度；θ1為被測(cè)直線舵機(jī)30中滾珠絲杠角位移。步驟3、將滾珠絲杠10作為力/力矩轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，在不考慮滾珠絲杠10摩擦扭矩及驅(qū)動(dòng)扭矩的情況下，由圖6滾珠絲杠10單個(gè)接觸點(diǎn)受力模型，得到施加到被測(cè)直線舵機(jī)30上的直線加載力與伺服加載電機(jī)3輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、滾珠絲杠10角位移與被測(cè)直線舵機(jī)30輸入位移的關(guān)系；施加到被測(cè)直線舵機(jī)30上的直線加載力與伺服加載電機(jī)3輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：式中，f為直線加載力；r為滾珠絲杠10半徑；λ為滾珠絲杠10螺紋升角；滾珠絲杠10角位移與被測(cè)直線舵機(jī)30輸入位移的關(guān)系為：式中，l1為被測(cè)直線舵機(jī)30輸入位移；p為滾珠絲杠10導(dǎo)程。步驟4、在上述步驟的基礎(chǔ)上，圖2是直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)總體控制框圖，構(gòu)建直線舵機(jī)加載系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：f＝g1uq-g2g3u其中:式中，kt為伺服加載電機(jī)3電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)。步驟5、利用步驟4的傳遞函數(shù)分析直線舵機(jī)加載系統(tǒng)的前向通道特性和擾動(dòng)通道特性；令u＝0，即被測(cè)直線舵機(jī)30處于鎖死狀態(tài)，表示直線舵機(jī)加載系統(tǒng)不受被測(cè)直線舵機(jī)30擾動(dòng)的前向通道特性，表示為：令uq＝0，表示直線舵機(jī)加載系統(tǒng)的擾動(dòng)通道特性，且負(fù)號(hào)表示擾動(dòng)力的方向與被測(cè)直線舵機(jī)30的位移方向相反，表示為：式中，g4為前向通道特性系數(shù)；g5為擾動(dòng)通道特性系數(shù)。步驟6、根據(jù)步驟5中直線舵機(jī)加載系統(tǒng)的前向通道特性和擾動(dòng)通道特性構(gòu)建直線舵機(jī)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制結(jié)構(gòu)，該控制結(jié)構(gòu)包括電流環(huán)、位置環(huán)及力環(huán)的三閉環(huán)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)和角速度前饋補(bǔ)償控制器，并引入stribeck摩擦模型至直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)中；電流環(huán)giq(s)采用復(fù)矢量pi控制，用于使伺服加載電機(jī)3電流準(zhǔn)確快速地跟蹤指令信號(hào)，電流環(huán)復(fù)矢量pi控制的傳遞函數(shù)為：式中：為d-q軸系電流；為d-q軸系電流設(shè)定值；kcp、kci相應(yīng)為pi控制器的比例和積分常數(shù)；pm為電機(jī)極對(duì)數(shù)；所述步驟6中的力環(huán)gf(s)利用拉壓力傳感器20的反饋值來(lái)控制加載系統(tǒng)的力輸出，位置環(huán)gp(s)用于精確控制伺服加載電機(jī)3角位移，角速度前饋補(bǔ)償控制器gω(s)用于跟蹤伺服加載電機(jī)3轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；所述步驟6中的力環(huán)gf(s)、位置環(huán)gp(s)及角速度前饋補(bǔ)償控制器gω(s)均采用pid控制，所用公式為：式中，u(t)為系統(tǒng)的被控制量；e(t)為誤差值；kp1、ki1、kd1分別為比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)；所述步驟6中的stribeck摩擦模型為：當(dāng)|ωm|＜α?xí)r，靜摩擦為：式中，f1(t)＝j(luò)mα(t)；當(dāng)|ωm|＞α?xí)r，動(dòng)摩擦為：式中：f1(t)為驅(qū)動(dòng)力；fm為最大靜摩擦力；fc為庫(kù)侖摩擦力；kv為黏性摩擦力矩比例系數(shù)；α(t)為伺服加載電機(jī)3角加速度；α和α1為非常小的正數(shù)。步驟7、將上述直線舵機(jī)加載系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)帶入至步驟4中的傳遞函數(shù)中，作出直線舵機(jī)加載系統(tǒng)伯德圖，由伯德圖或李雅普諾夫方法判定其穩(wěn)定性，如果穩(wěn)定則同時(shí)對(duì)步驟6中的控制器進(jìn)行參數(shù)整定，之后執(zhí)行步驟8，如果不穩(wěn)定則返回步驟6；步驟7中對(duì)控制器進(jìn)行pid參數(shù)整定采用連續(xù)ziegler-nichols方法，整定公式為：km為系統(tǒng)開(kāi)始振蕩時(shí)的增益值；ωm1為振蕩頻率；kp、ki及kd相應(yīng)為pid控制器的比例、積分和微分常數(shù)。步驟8、根據(jù)被測(cè)直線舵機(jī)30通訊協(xié)議，系統(tǒng)設(shè)置通訊波特率，設(shè)置舵機(jī)啟動(dòng)、偏移、反饋及零位調(diào)整指令，并調(diào)用相應(yīng)rs422串口驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送和接收系統(tǒng)指令；其中，所有指令字為16進(jìn)制格式，高8位在后，低8位在前；步驟9、上位機(jī)設(shè)定加載模式，加載模式有階躍信號(hào)加載和正弦信號(hào)加載兩種，并將控制指令通過(guò)tcp/ip通信協(xié)議發(fā)送給實(shí)時(shí)控制器，實(shí)時(shí)控制器對(duì)指令進(jìn)行處理后發(fā)送給伺服加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由伺服加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服加載電機(jī)3完成加載任務(wù)；從而完成對(duì)直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制。一種對(duì)上述直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法的驗(yàn)證方法，包括以下步驟：步驟a、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器6、拉壓力傳感器20、光柵尺18采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并反饋給實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，根據(jù)所發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，完成指令信號(hào)、反饋信號(hào)和誤差信號(hào)的曲線繪制；步驟b、對(duì)于階躍信號(hào)加載，計(jì)算其超調(diào)量e(tp)及調(diào)節(jié)時(shí)間ts；對(duì)于正弦信號(hào)加載，計(jì)算反饋信號(hào)與設(shè)定信號(hào)之間的幅值誤差和相位誤差，之后由“雙十指標(biāo)”評(píng)價(jià)直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法，如果達(dá)到“雙十指標(biāo)”，則表明直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法可行，否則表明當(dāng)前方法不可行。其中，所述“雙十指標(biāo)”是指正弦反饋信號(hào)的幅值誤差小于±10％和相位誤差變化小于10°。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有負(fù)載模擬器(伺服加載系統(tǒng))以單維力/力矩模擬為主、復(fù)合性較差及通用性不高等問(wèn)題，為了解決現(xiàn)有的電液伺服加載系統(tǒng)因加載對(duì)象的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)而對(duì)加載系統(tǒng)所造成很強(qiáng)位置干擾、較大的多余力、維護(hù)不方便等問(wèn)題，也是為了解決采用直線伺服電機(jī)的電動(dòng)式伺服加載存在著局限于主動(dòng)式加載、成本比較高、制造維修不太方便等缺點(diǎn)，本發(fā)明的一種直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制方法，加載系統(tǒng)能夠有效針對(duì)直線舵機(jī)不同型號(hào)尺寸施加合適的載荷譜對(duì)其進(jìn)行模擬加載，所提動(dòng)態(tài)控制方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)直線負(fù)載模擬器地加載測(cè)試功能，并能提高直線負(fù)載模擬器的加載精度到90％以上，有效抑制了被測(cè)舵機(jī)的多余力。下面結(jié)合實(shí)施例具體描述：實(shí)施例1為驗(yàn)證本發(fā)明，實(shí)施例選定的各元器件如表1所示，直線舵機(jī)電動(dòng)加載系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。表1試驗(yàn)臺(tái)各元器件選型表2系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)參數(shù)值單位意義kt1.75nm/a電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)ke112v/krpm反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)kl6000nm/rad彈性剛度常數(shù)jl8.81×10-5kgm2負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量lm11.4mh電感常數(shù)rm2.1ω定子的繞組電阻jm9.1×10-4kgm2pmsm轉(zhuǎn)動(dòng)慣量bm0.052nm/krpm電機(jī)阻尼常數(shù)p25mm絲杠導(dǎo)程其次，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定，利用matlab作出系統(tǒng)的伯德圖，伯德圖如圖7所示，由伯德圖判定系統(tǒng)穩(wěn)定；設(shè)置電流環(huán)giq(s)控制器參數(shù)為：kcp＝4.1，kci＝450，kcω＝1000；設(shè)置位置環(huán)gp(s)控制器參數(shù)為：p1＝1.32，i1＝0.61，d1＝0.02；設(shè)置力環(huán)gf(s)控制器參數(shù)為：p2＝1.38，i2＝0.89，d2＝1.01?；趌abview圖形化編程和matlab編程，編寫(xiě)了測(cè)控軟件，并進(jìn)行正弦信號(hào)加載實(shí)驗(yàn)，信號(hào)跟蹤曲線如圖8、9所示。被測(cè)直線舵機(jī)30設(shè)置幅值為4mm、頻率為2hz和5hz的正弦信號(hào)為驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)，伺服加載電機(jī)3設(shè)置幅值為3000n、頻率與擾動(dòng)信號(hào)相同的正弦信號(hào)為加載指令信號(hào)。對(duì)于被測(cè)直線舵機(jī)30，其控制輸出為位移，采用電動(dòng)加載系統(tǒng)測(cè)試其輸出力，以檢驗(yàn)其推力是否滿足要求。電動(dòng)加載系統(tǒng)初期調(diào)試，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短。在圖8、9中，標(biāo)有force_setpoint、force_feedback及force_error的曲線分別為設(shè)定加載曲線、加載反饋曲線及為誤差曲線。由圖8得，當(dāng)被測(cè)直線舵機(jī)30輸出頻率為2hz時(shí)，測(cè)得反饋曲線正峰值為3163.94n，反峰值為-3241.32n，相位為-7.87°，定義反饋值與設(shè)定值的比為加載精度，加載精度為91.96％；當(dāng)被測(cè)直線舵機(jī)30輸出頻率為5hz時(shí)，測(cè)得反饋曲線正峰值為3258.33n，反峰值為-3267.54n，相位為-9.33°，加載精度為91.08％，反饋曲線與設(shè)定曲線的相位差均小于10°，幅值誤差也在10％以?xún)?nèi)，較好地達(dá)到了“雙十指標(biāo)”，有效地測(cè)試了此被測(cè)直線舵機(jī)30能夠滿足3000n的實(shí)載動(dòng)態(tài)推力。當(dāng)前第1頁(yè)12