被動式多維力?力矩伺服加載平臺控制系統及其控制方法與流程
本發明涉及一種伺服加載平臺控制系統，具體講是一種被動式多維力-力矩伺服加載平臺控制系統及其控制方法，屬于試驗與測試技術領域。
背景技術：
電動負載模擬器是航空航天產品在空間運動過程中機構所受外力的加載模擬裝置，其功能是在實驗室條件下模擬被測試產品在空間運動過程中所受到的機構載荷，從而測試產品驅動系統帶載條件下的性能，是航空航天產品生產和研制過程中的必備設備。
現有的加載平臺控制系統多大僅適應于單向力-力矩的加載控制，輸入輸出接口單一，可擴展性差，不能滿足加載平臺的控制需求。從力-力矩加載控制算法上來看，目前的力-力矩伺服加載控制方法大多僅限于單自由度、簡單運動條件下的扭矩、徑向力和軸向力的加載控制，無法適應各維加載力-力矩之間耦合性強的加載條件，制約試驗過程中各類加載測試。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術缺陷，提供一種能對復雜運動條件下被加載對象進行加載試驗的被動式多維力-力矩伺服加載平臺控制系統及控制方法。
為了解決上述技術問題，本發明提供的被動式多維力-力矩伺服加載平臺控制系統，包括被動式多維力-力矩加載平臺、控制單元、電氣接口模塊、伺服信號功放單元、位姿傳感器和六維力傳感器；
所述控制單元連接電氣接口模塊，電氣接口模塊連接伺服信號功放單元，伺服信號功放單元連接被動式多維力-力矩加載平臺；
所述位姿傳感器固定安裝在被動式多維力-力矩加載平臺上，位姿傳感器電連接電氣接口模塊，用于實時采集被動式多維力-力矩加載平臺的位姿信號；
所述六維力傳感器與被加載對象固定連接，六維力傳感器電連接電氣接口模塊，用于實時采集被加載對象所受加載力-力矩信號；
所述被動式多維力-力矩加載平臺剛性連接被加載對象，并根據控制指令對其進行加載；
所述控制單元用于向多功能控制接口模塊發出控制指令，并經電氣接口模塊采集運動位姿信號和加載力-力矩信號進行處理；
所述電氣接口模塊用于將控制指令傳輸到伺服信號功放單元，并將運動位姿信號和加載力-力矩信號反饋至控制單元；
所述伺服信號功放單元用于向被動式多維力-力矩加載平臺輸出功率信號驅動其運行。
本發明中，所述控制單元經通信接口模塊連接數據中心。
本發明還提供上述被動式多維力-力矩伺服加載平臺控制系統的控制方法，包括以下步驟：
1)、將被加載對象與被動式多維力-力矩加載平臺進行剛性連接，啟動被動式多維力-力矩加載平臺控制系統；
2)、按照預定的工作模式，在控制單元中設置加載控制參數，確定加載模式，對各傳感器信號清零處理；
3)、控制單元發出控制指令經伺服信號功放單元傳遞給被動式多維力-力矩加載平臺對被加載對象進行加載；
4)、傳感器實時采集運動位姿信號和加載力-力矩信號并通過多電氣接口模塊反饋至控制單元，控制單元進行信號處理后再發出控制指令對被加載對象完成伺服加載。
本發明中，所述步驟3)的具體過程為：
設速度內環的控制律為：
式中，為被動式多維力-力矩伺服加載平臺控制系統理想的速度給定信號，x(t)為被動式多維力-力矩加載平臺的實時位姿，為速度；
設被加載對象各連接面的各維力fc(t)所形成接觸力的剛度模型為：
f(t)＝k(t)[(x(t)-xe(t)] (2)
式中，f(t)為被加載力的理論值，k表示被動式多維力-力矩加載平臺與被加載對象之間接觸的等效剛度，xe(t)為被加載對象的實時運動位姿；用γ＝1/k表示柔度，則
x(t)＝γ(t)f(t)+xe(t) (3)
通過在線辨識獲得被加載對象各自由度的等效柔度，其控制規律為:
式中，fd(t)為加載力期望值，Δf(t)為加載力誤差，Kf為力反饋系數，為等效柔度的在線估計值，其自適應更新律為：
式中，參數α是自適應增益，F(t)為待定的自適應估計器；
根據剛度與柔度的關系k＝1/γ，代入式(3)：
由式(2)可知：
從而式(6)為：
式中，ψ(t)為中間變量，ψ(t)＝k(xd(t)-xe(t))，
定義標量函數:
由式(9)可知，對于所有t，有對式(9)微分后
故有
代入(5)，得
可知，所求解待定的自適應估計器F(t)為
F(t)＝-αfd(t)Δf(t)。
本發明的有益效果在于：(1)、通過以控制單元為中心，將被動式多維力-力矩加載平臺、電氣接口模塊、伺服信號功放單元、位姿傳感器和六維力傳感器進行有機結合，克服傳統加載系統的缺陷，可以實現力矩電機在力-力矩和位移控制條件下的動力加載試驗；(2)、本發明的控系統操作簡單、容錯能力強，具有軟件、電氣和機械三級自我保護功能，能夠有效提高被動式多維力-力矩加載平臺和被測對象在試驗過程中的安全性，降低測試和維護成本；(3)、本發明控制方法能夠減小加載過程中出現的超調，提高力-力矩伺服加載的控制精度，并且能有效抑制多余力-力矩對加載穩定性的影響，提高系統的響應速度。
附圖說明
圖1本發明被動式多維力-力矩伺服加載平臺控制系統結構示意圖；
圖2本發明控制方法的算法原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明被動式多維力-力矩伺服加載平臺控制系統，包括控制計算機、多功能電氣接口模塊、伺服放大器、被動式多維力-力矩加載平臺、位姿傳感器和六維力傳感器。
控制計算機連接多功能電氣接口模塊，向多功能電氣接口模塊控制指令、接收多功能電氣接口模塊的反饋信號并進行融合與解算。本發明中，控制計算機為數字計算機，配置有輸入輸出接口電路的基本控制部件，包括多功能通信模塊、六路模擬量輸入/出接口、AD輸入模塊、光電編碼器信號采集模塊和電氣信號控制模塊。
多功能通信模塊包括網絡接口與串行接口，控制計算機通過串行接口連接多功能通信模塊，多功能通信模塊通過網絡接口連接數據中心，用于被動式多維力-力矩控制與數據中心的信息交互。
六路模擬量輸出接口采用16位高性能D/A轉換芯片，通過PCI總線與控制計算機連接，具有電壓轉換精度高、相應速度快的優點。六路模擬量輸入接口采用16為高性能A/D轉換芯片，轉換時間小于1us，通過PCI總線與控制計算機連接，用于采集力-力矩反饋、位姿信號。
六路正交編碼信號接口通過PCI總線與控制計算機連接，具有自適應輸入電平配平芯片，能夠適應多種光電編碼器的輸入電平，用于位姿傳感器信號的采集。
控制計算機安裝運行加載控制軟件，加載控制軟件采用本領域現有使用的軟件，如南京航空航天大學開發的被動式多維力-力矩伺服加載系統控制軟件，用于實時監控整個系統運行狀況，向多功能電氣接口發送控制指令并采集被動式多維力-力矩加載平臺的位姿和力-力矩數據。本發明的力-力矩加載控制算法通過融合位姿信息與力-力矩信息，實時解算控制信號。
多功能電氣接口模塊連接伺服放大器，向伺服放大器傳輸控制指令。伺服放大器連接被動式多維力-力矩加載平臺，伺服放大器向被動式多維力-力矩加載平臺輸出功率信號，驅動被動式多維力-力矩加載平臺運動和實現力-力矩的加載。被動式多維力-力矩加載平臺采用力矩電機拖動，直接傳動。
被加載對象通過法蘭與被動式多維力-力矩加載平臺剛性連接。本發明中，被動式多維力-力矩加載平臺采用現有技術中公開的如上海理工大學申請的申請號為2015101671972公開的三軸多維度加載力學性能測試試驗臺、濟南大學申請的申請號為2013102241563所公開的多功能力加載裝置及燕山大學申請的申請號201410171514.3所公開的自平衡式空間六維力/力矩加載裝置等，在此本發明中不再展開描述。
位姿傳感器包括3個角度傳感器和3個直線位移傳感器，角度傳感器采用德國海德漢ECA4492，角度移傳感器與被動式多維力-力矩加載平臺的回轉軸同軸安裝，角度移傳感器連接多功能電氣接口模塊，用于實時采集被動式多維力-力矩加載平臺的角度信息。
直線位移傳感器采用德國海德漢LC115，直線位移傳感器沿被動式多維力-力矩加載平臺的軸向力加載方向平行安裝在加載平臺上，直線位移傳感器電連接多功能電氣接口模塊，用于實時采集被動式多維力-力矩加載平臺的位置信息。
六維力傳感器采用瑞士奇石樂SKB-Z20，六維力傳感器通過法蘭與被加載對象剛性連接，六維力傳感器電連接多功能電氣接口模塊，用于實時采集被動式多維力-力矩加載平臺加載力-力矩信息。
下面是利用本發明被動式多維力-力矩加載平臺控制系統進行多維力-力矩伺服加載的控制過程：
1、將被加載對象與被動式多維力-力矩加載平臺通過法蘭進行剛性連接，然后整個系統供電，啟動控制計算機中的加載控制軟件；
2、按照預定的工作模式，在加載控制軟件設置所述加載控制裝置參數，確定加載模式，然后控制計算機設置所采集的信息并對所有傳感器信號進行清零處理。
3、控制計算機控制啟動被動式多維力-力矩加載平臺，此時控制計算機的控制指令通過多功能電氣接口模塊經由所述伺服放大器將功率信號傳遞給被動式多維力-力矩加載平臺，被動式多維力-力矩加載平臺按照控制計算機的伺服控制指令進行加載。
4、任一時刻的位姿傳感器與六維力傳感器所采集的信號通過多功能電氣接口反饋至控制計算機進行信號的綜合與解算，控制計算機發出新的控制指令對被加載對象完成伺服加載。本發明采用如下的對于力-力矩加載控制算法用于實現力-力矩的伺服加載控制，如圖2所示，圖中S表示微分運算，表示加載機構與被加載對象之間的相對運動速度的反饋值，fc為加載對象所承受的載荷力、表示加載機構與被加載對象之間的相對運動速度的給定值、表示估計的等效剛度、fd表示加載力的設定值。
對于位姿內環，采用PI控制器進行速度控制，可以實現速度的誤差跟蹤，速度內環的控制律為：
其中，為被動式多維力-力矩加載平臺控制系統理想的速度給定信號，即速度閉環的輸入質量,x(t)為被動式多維力-力矩加載平臺的實時位姿，為被動式多維力-力矩伺服加載平臺的三軸角速度和三向線速度。對具有閉環位姿控制的運動系統而言，其動力學特性可以由二階系統近似，因此PI控制器可以實現速度環的誤差跟蹤。
被動式多維力-力矩加載平臺與被加載對象之間采用剛性連接，在被加載裝置上安裝的六維力傳感器，可以實時檢測加載對象連接面上的各維力f(t)，該接觸力的剛度模型可以表述為：
f(t)＝k(t)[(x(t)-xe(t)] (2)
其中，f(t)為被加載力的理論值，k表示被動式多維力-力矩加載平臺與被加載對象之間接觸的等效剛度，它是一個與被動式多維力-力矩加載平臺與被加載對象之間相對運動、被加載對象的機構特性以及外部約束作用相關的變化物理量，xe(t)表示被加載對象的實時運動位姿，通過位姿傳感器實時獲取。用γ＝1/k表示柔度，則
x(t)＝γ(t)f(t)+xe(t) (3)
由于被加載對象存在空間六自由度的運動，且被加載對象在運動過程中受外部作用的約束，其反應在各自由度上的等效剛度為變化量，為了描述這種變化的關系。本發明通過在線辨識獲得各自由度的等效柔度，其控制規律為:
其中，fd(t)為加載力期望值，Δf(t)為加載力誤差，Kf為力反饋系數，為等效柔度的在線估計值，其自適應更新律為：
其中，參數α是自適應增益，F(t)為待定的自適應估計器，待定的自適應估計器是獨立于控制器選擇的，其核心原則是使所設計的自適應估計器和控制器共同作用下系統能漸進穩定，所以先確定了估計率的一般形式，然后根據所構造的能量梯度函數的要求來確定F(t)。
正常操作時，被加載對象與被動式多維力-力矩加載平臺接觸面上的等效作用力和作用力矩不會發生突變，因此可以假設接觸力-力矩是一個存在二階導數且二階導數為有界的物理量，即f(t)∈L2。基于這一點，對其穩定性進行分析，并確定具體的自適應更新律表達式。根據剛度與柔度的關系k＝1/γ，代入式(3)整理后得
由力模型式(2)可知
從而式(6)可以寫成：
其中，ψ(t)＝k(xd(t)-xe(t))，ψ(t)為中間變量，表示系統的位置誤差；由于系統的速度控制是無差系統,
又因為被動式多維力-力矩加載平臺與被加載對象之間相對運動與力-力矩的加載值相關，當把加載力-力矩增大時，這種相對運動就會變小，可以認為滿足：
且
故有
這說明ψ(t)∈L2。因此存在一個正數:0≤M≤∞，滿足
式中，(τ)dτ表示對τ積分，τ為時間變量，M為一常數
定義標量函數:
由式(9)可知，對于所有t，有(因(9)式前兩項為平方項，恒大于0，又因為所以(9)式恒大于0)，對式(9)微分后
故有
代入(5)，得
可知，所求解待定的自適應估計器F(t)為
F(t)＝-αfd(t)Δf(t)
5、當被加載對象完成加載過程后，控制計算機將發送停止指令，被動式多維力-力矩加載平臺對被加載對象停止加載。
本發明的應用途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護范圍。
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