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对电液负载模拟器的双闭环控制的实验研究
摘要
本文研究了运动耦合干扰（所谓的多余力矩）在硬件在环（HIL）实验。在2004年电液负载模拟器（EHLS）通过角提出了“速度同步方案”。然而，在某些情况下，该计划是有限的，在实施中的某些原因，如执行器的阀门信号不可用，或受噪音污染严重。为了解决这些问题，为电液负载模拟器开发”双回路方案”。双回路方案是一个转矩环和一个位置同步回路的组合。位置同步回路的作用是使执行机构系统的运动干扰解耦。为了验证该方案的可行性和有效性，进行大量的模拟采用AMESim。然后，对所开发的方法的性能进行了验证实验。
关键词：AMESim仿真；双闭环控制方案；电液负载模拟器；硬件在环（HIL）；剩余扭矩
1介绍
负载模拟器（LS）是在硬件在环（HIL）实验的关键设备，并且它被广泛应用于航空航天工程。它主要的功能是在执行器系统中生产一个负荷扭矩/力的作用，因此，整个执行器系统的控制性能和可靠性，可以在实验室测试。通过虚拟的LS，执行器系统的设计可以预见和检测与力学和飞行控制系统有关的潜在问题。
根据其能量来源类型，LS可以分为三种类型：电液负载模拟器（EHLS），电动负载模拟器（ELS）及气动负载模拟器（PLS）。ELS和PLS相比，电液负载模拟器的优点有，如耐久性，高功率，重量比和可靠性。鉴于此，电液负载模拟器已在飞机和导弹等行业广泛应用，汽车制造业，机器人与容错领域。不同于熟悉的加载系统，电液负载模拟器需要跟踪一种执行机构的主动运动干扰下负荷扭矩/力的参考。由于执行器和电液负载模拟器之间的直接连接，执行机构的运动严重影响 该电液负载模拟器的扭矩输出。刘称为扰动的过剩的扭力”。
从广义上讲，一个最小二乘的性能很大程度上取决于剩余转矩抑制的水平。如何消除执行器的运动干扰对学术界和工业界都有极大的兴趣。在本文中，这些研究分为四种类型：（A）参数优化方法（B）前馈补偿的方法（C）鲁棒控制方法(D) 速度同步的方法。
参数优化方法的基本思想是通过对某些参数的优化，降低动器的扰动强度，如加载系统的泄漏系数，执行器与加载系统之间的连接刚度，等。这些方法的优点是易于实现，但它总是伴随着一些“边缘效应”。前馈补偿方法是基于线性理论，而最常用的前馈信号是执行器的速度 。对于具有鲁棒性的控制方法，对其进行了鲁棒性的控制算法的研究。到目前为止，混合灵敏度理论，定量反馈技术（QFT）和干扰观测器技术研究了电液负载模拟器。
此外，神经网络和自校正模糊控制已应用于电液负载模拟器。在2004年焦等提出了速度执行器系统和加载系统同步方法采用的控制方案。在这种方法里，执行器的阀输入和叠加在转矩控制器的控制输出上。该方法已应用于多种硬件在环试验成功，并取得一定的效果。然而，在一些情况下，在实施过程中遇到了一些问题（见3节）。
本文用简单的工程方法来解决执行器的运动干扰问题。这项工作的主要贡献是，提出了电液负载模拟器的双闭环控制方案。论文的其余部分组织如下。第 2节建立了电液负载模拟器的数学模型。在此基础上，分析了剩余转矩问题的数学模型。在3节中，在分析的速度同步方法的实施过程中遇到的问题。第4节介绍了模拟和实验的结果。最后，得出结论，在第5节。
2负载模拟器的描述
2.1系统结构
一般来说，一个半实物仿真试验是由两个伺服系统：执行器系统和加载系统。图和油路原理图所描述的图。在这幅图中，JL是加载轴的转动惯量，GS是扭矩传感器的刚度、YL、YR的加载和执行系统的角位移，P1和P2是在两室压力，XV是加载阀阀芯位移、PS和P0是供应和回流压力。
在图1（1）中，左边的部分表示由伺服阀、液压马达和角编码器组成的位置执行机构系统。执行器的角度是反馈到致动器控制器实现闭环角度控制。正确的部分是由一个阀控液压马达、扭矩传感器组成的加载系统，角编码器和惯性盘来模拟控制表面的惯性。在电液负载模拟器的编码器有两个功能。一方面，它是必要的测量的角度的装载轴，以便该方法可以采用。另一方面，在一些硬件在环实验中，该编码器可以提供的控制面上的参考角值。执行机构系统的运动会影响转矩跟踪性能。为了探讨作动器的主动运动影响的加载性能，建立了电液负载模拟器的数学模型。
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2.2电液负载模拟器的数学模型
首先，建立了电液负载模拟器的伺服阀和摆动液压马达的流量平衡方程。在建模之前，假定：（一）伺服阀与一个理想零开度和零研磨对称性匹配；（二）阀门径向间隙泄漏的阀芯可以忽略不计；（三）供给源稳定，回流压力为零。应用流连续性规律，可表示为负载电机的流入和流出：
在Q1和Q2的供应和回流率，分别；DL是加载电机的位移，y_l加载系统的角速度；V1和V2是每两室加载电机控制量；是有效体积弹性模量，和CT的内部泄漏系数。
定义负载流量和负载压力：
在QL是加载系统的负载流量， PL是P1和P2之间的压力差。注意：
V是装载系统的总控制量。结合等式，（1）-（7），给出了载流连续性方程：
给出了加载阀的控制流方程：
其中的CV是加载阀的流量系数，w是加载阀的面积梯度，p是油密度。
给出空阀芯位置的线性流动方程：
是加载零流量增益阀。
负载轴的转矩平衡方程是：
在BL是加载电机的阻尼系数。
输出扭矩是：
结合等式（8）（10）（12），该数学模型可以由拉普拉斯变换得：
其中S是拉普拉斯算子和KT的总刚度系数电液负载模拟器（M5 /（N*S））。
2.3．剩余转矩问题
注意，分式（13）由两部分组成。
术语KqDLXV（S）的扭矩输出可以通过调节控制阀芯位移XV。术语B(s)syR(s)表示由致动器的运动引起的耦合干扰。从方程（13）的角度来看，剩余扭矩定义为术语B(s)syR(s)引起的扭矩输出状态下XV = 0的条件。剩余扭矩的根源是由式（14）显示。盈余转矩与速度有关，加速度和加速度衍生物执行器系统。这听起来有点复杂。与后两者相比，执行器的速度在运动耦合中起着绝对重要的作用干扰。
3电液负载模拟器的双闭环控制方法
3.1速度同步控制方案的结构
阀控液压作动器的执行器速度由阀门调节的负载流量确定开放。此外，阀门开度控制阀的输入。因此，在执行器的输入中包括关于执行器速度的丰富的信息。这也可以从位置的角度来解释执行器系统模型。过低频带，传递函数从阀芯位移角输出可以被视为一个积分系统。执行器阀的输入，作为输入的积分系统，可以看作是在一个意义上的致动器的速度指令。基于这样的分析，很容易理解速度同步控制方案，其原理图图2。如图所示，输入的调节阀是由一个比例系数调整，并添加到加载系统的控制输出。
3.2遇到的问题
实现速度同步的前提方法是必须获得一个良好的质量同步信号。也就是说，执行器的信号应该是无噪音。然而，这种情况不能总是在实践。在一些硬件在环试验，当加载的对象是一个测致动器（EHA）时，完全没有执行器阀信号。即使同步信号是可用于阀控液压作动系统，速度同步方案的性能是有限的噪声污染。下面的数据来自实际HIL加载试验。如图3（a），上图是原执行器的信号，而下一个是被污染的信号，这是实施后造成的”动态压力反馈策略”。 所谓的“动态压力反馈策略”是反馈的压力差，以提高控制性能的致动器系统。在这种情况下，输出扭矩振荡剧烈的“速度同步方案”，如图3（b）。显然，振荡是由“同步信号”引起的。
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3.3双回路控制策略
对于加载系统，有2个任务来执行。第一是同步执行的致动器系统，第二是跟踪转矩指令。基于这个想法的功能分区，使这2个任务可以分解，由两家控制器进行。因此，同步回路控制器和转矩回路控制器可以同时负载模拟器。位置同步控制器的作用是排除解耦的致动器的运动干扰，转矩回路控制器负责跟踪转矩指令。基于这种分析，开发方法的结构图显示在图4。
但是，有一个潜在的冲突之间的转矩回路位置环控制。这个问题是从两者的频率特性的透视环看出的。结合等式（8）和（10），原则图双回路方案示为图5（a），在其中传递函数的因素Ctor(S)、Csyn（S）代表扭矩回路控制器和同步回路控制器。图5（a）可转化为图5（b），在其中G0（S）代表的综合动力学。因此，动态回路的特性可以给出如下:
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Ftor（S）和FSyn（S）是转矩的传递函数循环和同步循环。请注意， 我们的目标是尽可能准确地跟踪转矩指令。该位置环刚刚引入到去耦的致动器运动障碍。只要变化的动力学（S）是速度高于FSyn（S），可以保证优先级的转矩跟踪。这是通过折衷控制器使用Ctor（S）和Csyn（S）得到的。
仿真和实验
4.1仿真结果
为了验证所提出的策略的可行性，本节进行仿真研究。电液负载模拟器模型的应用AMESim在图6中，使用的主要参数模拟显示在表1。在AMESim模型，左边的部分代表加载系统和右边部分是执行器系统。在这部分中，执行六个模拟。四的目的是测试盈余的能力转矩，验证了动态加载性能。
对于剩余转矩仿真，转矩参考加载系统的指令是零，而执行器系统跟踪各自是15°- 1赫兹，10 °- 2 Hz、5 °- 5Hz和3°- 10赫兹的正弦参考说明。
在图7中，蓝色的固体曲线表示多余力矩只诉诸于力矩回路的控制器，基于提出的方法，红色虚线曲线代表剩余转矩。仿真结果证明了该驱动器的操作速度更快，它产生的多余力矩更强。在第2节根据建立的数学模型进行了分析。如图7（d）所示。
在图7中，基于所提出的方法显着增强了抗干扰的鲁棒性。多余力矩分别从70.5，99，126和160 N * M衰减到1.6，2.9，8，18.6 N* m。剩余多余力矩值仅为2.3%，3%，8%和11.6%的原始值。注意到运动的加速度执行器系统的频率跟踪性能逐渐恶化。这可以解释为剩余转矩的强度也成比例的增加执行器系统的加速度。剩余比例由角加速度贡献的转矩增加执行器系统的频率对于下图图9和8，红色虚线曲线表示负载指令，蓝色固体曲线表示扭矩样品。图中的曲线表示转矩误差。如图所示，加载系统跟踪正弦信号50 N* M-3赫兹，当执行系统正在进行2°- 3赫兹的正弦信号操作。在图9中，负载系统跟踪正弦信号100 N* M-3赫兹当执行器系统采用正弦信号1° - 5赫兹运行。模拟结果表明，基于所提出的方法转矩跟踪性能提高了70%以上。
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4.2实验验证
4.2.1实验装置的配置
电液负载模拟器包括一个摆动液压马达、机械框架，伺服阀，扭矩传感器，角度编码器一台电脑，包括总线多功能卡。16位A/D转换器和16位D/A转换器。这个特定参数和品牌的测试组件床列于表2。
该平台的照片显示在图10（a）,其结构见图10（b）.其中1是泵，2是救援阀门，3是减压阀，4和9是加载执行器液压马达8和5是角编码器，6和7是伺服阀，10是一个惯性盘。为了模拟控制面和11的转动惯量的是矩传感器。仿真执行器系统是用来生成运动障碍，使真正的HIL工作条件可以转载。挡板式电液伺服阀（d765）制造是穆格公司的应用。有效的角度摆动液压马达的范围是plusmn;55 °。角度位置，转矩反馈的角度编码器和贴片式转矩传感器。整个实验设置由四部分组成：油源系统机械床、负载系统及仿真执行器系统。在油源系统中，变排量泵是用和带动的一个交流电机，使泵能够供应压力油。安全压力被限制在31兆帕由一个安全阀。压力输出可以设置为任何按比例压力调节0至21兆帕的值减压阀3。
4.2.2实验结果
实现了提出的双回路方法上面介绍的液压装置。从低频率到高频率，运动干扰抑制的四个实验进行了动态加载。抑制多余力矩的能力如图11所示。动态加载的性能显示在图12和13中。对于实验多余力矩的抑制，让转矩指令0，让执行器跟踪正弦位置指令各自达到10 ° - 1赫兹，5° - 5 Hz、2° - 8Hz和1 °- 10赫兹。首先，实验只使用转矩回路，进行PI控制器（p-0.68，i-4.5）。然后，在提出的方法的基础上执行同样的实验，一个同步路控制器（P= 0.5，I= 0.2）。最后，随机使用双回路进行负载频谱实验方法。
剩余转矩比较与控制结果和双回路控制结果在图11（a）-（d）显示。如图所示蓝色虚线曲线表示使用PI控制器的剩余转矩，红色的固体曲线代表于双回路法的盈余基转矩。
实验数据表明多余力矩从图11(a) 的125 N*m减小到8 N* m，从图11（b）的360 N* m减小到20
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