一种两级串联伺服油缸驱动迎角机构精确定位的优化方法技术

本发明专利技术公开了一种两级串联伺服油缸驱动迎角机构精确控制的优化方法，该所述优化方法基于迎角机构和伺服控制系统实现，所述迎角机构包括支杆、半弯刀机构、圆弧导轨、一级伺服油缸、二级伺服油缸，两级串联伺服油缸各级缸采用单独供油方式，油缸共配置了两套位置编码器并采用伺服系统进行闭环控制。本发明专利技术主要用于解决某超声速风洞中，驱动迎角机构的两级串联伺服油缸采用按行程比例分配、直接定位的控制方法，导致迎角机构无法位置闭环，产生速度突变，不能精确定位的实际难题。不能精确定位的实际难题。不能精确定位的实际难题。

【技术实现步骤摘要】
一种两级串联伺服油缸驱动迎角机构精确定位的优化方法


[0001]本专利技术属于机电液及自动化技术，涉及风洞试验中迎角机构的精确定位，具体涉及一种两级串联伺服油缸驱动迎角机构精确定位的优化方法。

技术介绍

[0002]风洞试验数据式飞行器研制的重要支撑数据，其可以验证涉及方案的正确性和可行性。某超声速风洞是一座引射式暂冲直流超声速增压风洞，投放试验段是其一个特种试验段，可以用于CTS试验，投放试验等特种试验，投放机构是主要运动部件。
[0003]投放机构具有三自由度，采用笛卡尔坐标系定义。其中X向为风洞顺气流方向，Y向为模型升力方向，迎角α为试验模型绕Z向旋转方向，顺时针为正。投放机构由X向机构、Y向机构以及迎角机构构成。其中，迎角机构采用两级串联伺服油缸驱动。两级串联伺服油缸由两级组成，第二级油缸套在第一级油缸里面。
[0004]在前期设计中，两级串联伺服油缸一般采用按行程比例分配、直接定位的优化方法实现机构迎角的精确定位。但实际应用时，发现在某些角度范围内，迎角机构易发生无法位置闭环导致不能精确定位的问题，同时伴随有过度阶段速度突变的现象。经多次试验分析而知：两级串联伺服油缸为嵌套式结构，由内缸和外缸组成，其中内缸嵌套在外缸中，杆径较小，输出力不足；极限工况下，机构迎角在某些角度范围内运动时，内缸输出力特性不能满足实际需求，进而产生了机构无法位置闭环和速度突变的问题。
[0005]为实现迎角运动稳定控制和高精度定位，故需对两级串联伺服油缸驱动迎角机构精确定位方法进行优化，以满足风洞试验要求，为飞行器研制提供精确的数据支撑。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中驱动迎角机构的两级串联伺服油缸采用按行程比例分配、直接定位的优化方法，导致迎角机构无法位置闭环、产生速度突变、不能精确定位的实际难题，本专利技术提供了一种两级串联伺服油缸驱动迎角机构精确定位的优化方法，该优化方法对现有两级串联伺服油缸驱动迎角机构的控制进行了相应的优化，实现迎角机构精确定位，确保机构平稳运行，无速度突变。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供了如下技术方案。
[0008]一种两级串联伺服油缸驱动迎角机构精确定位的优化方法，所述优化方法基于迎角机构和伺服控制系统实现；所述迎角机构包括支杆、半弯刀机构、圆弧导轨、一级伺服油缸、二级伺服油缸，试验模型通过支杆安装于半弯刀机构上，一级伺服油缸作为外缸、二级伺服油缸作为内缸串联构成两级串联伺服油缸，两级串联伺服油缸与半弯刀机构铰链连接，两级串联伺服油缸驱动半弯刀机构沿圆弧导轨滑动从而带动试验模型绕模型旋转中心作旋转运动，实现模型迎角α的变化；所述伺服控制系统包括油源系统、一级伺服油缸伺服阀、二级伺服油缸伺服阀、PLC核心控制器、一级伺服油缸位置编码器、二级伺服油缸位置编码器；一级伺服油缸位置编码器、二级伺服油缸位置编码器分别安装于一级伺服油缸、二级
伺服油缸上；PLC核心控制器通过位置反馈信号电缆分别与一级伺服油缸位置编码器、二级伺服油缸位置编码器相连接，PLC核心控制器还通过控制信号电缆分别与一级伺服油缸伺服阀、二级伺服油缸伺服阀相连；一级伺服油缸伺服阀、二级伺服油缸伺服阀通过进/回油管路分别与一级伺服油缸、二级伺服油缸相连接；油源系统通过进/回油管路分别与一级伺服油缸伺服阀、二级伺服油缸伺服阀相连接；油源系统为一级伺服油缸伺服阀、二级伺服油缸伺服阀供/回油，PLC核心控制器根据设定仰角控制一级伺服油缸、二级伺服油缸的进/回油流量，以实现一级伺服油缸、二级伺服油缸的精确定位，一级伺服油缸位置编码器、二级伺服油缸位置编码器分别检测一级伺服油缸、二级伺服油缸的行程并向PLC核心控制器实时传递行程数据；PLC核心控制器实时接收行程数据，用于位置控制闭环。
[0009]该优化方法包括以下步骤：
[0010]S1、根据迎角机构的设计，获得迎角α与两级串联伺服油缸总行程l的函数关系α＝f(l)如下所示，并确定迎角机构的迎角α与两级串联伺服油缸总行程l设计参数取值范围：
[0011][0012]式中，l1、l2分别为一级伺服油缸和二级伺服油缸行程，f为迎角α与两级串联伺服油缸总行程l的关系准则，均由结构设计参数获得；
[0013]S2、通过调试前单动，获得迎角机构的迎角α与两级串联伺服油缸总行程l实际参数取值范围；
[0014]S3、根据迎角机构与两级串联伺服油缸结构形式，以及一、二级伺服油缸输出力参数，确定运行极限工况，所述极限工况为一、二级伺服油缸出力与半弯刀机构重力作用在半弯刀机构上的切向分力方向相反；
[0015]S4、在极限工况下，进行半弯刀机构受力分析：假设此工况下，由一、二级伺服油缸单独驱动半弯刀机构运动，获得迎角α与一、二级伺服油缸作用在迎角机构半弯刀上的切向合力f
T1
、f
T2
关系曲线；
[0016]S5、基于迎角α与一、二级伺服油缸作用在迎角机构半弯刀上的切向合力f
T1
、f
T2
关系曲线，对迎角α对应的两级串联伺服油缸总行程l进行初步分配，分配原则为：作为内缸的二级伺服油缸切向合力不能驱动机构运动时，则初步设定由一级油缸单独驱动迎角机构运动，其他区域由一、二级伺服油缸联动完成机构迎角定位；
[0017]S6、在S5基础上进一步优化，构建缓冲机制：设立机构迎角运行缓冲区[α1α2]，α1<α2，且均在步骤S2中获得迎角机构的迎角α实际取值范围。确定各区域内两级串联伺服油缸运动规则：当α<α1时，由其中某一级伺服油缸单独驱动机构运行；当α>α2时，由另一级伺服油缸单独驱动机构运行；当α1≤α≤α2时，两级伺服油缸联动；通过理论分析计算，最终确定各区域内两级串联伺服油缸运动规则；
[0018]S7、在迎角α与两级串联伺服油缸总行程l的函数关系不变的情况下，采用高次曲线进行位置插补，以确保一、二级伺服油缸平缓运动，不产生速度突变；不断迭代优化，获得最终的机构迎角运行缓冲区[α1α2]；
[0019]S8、根据步骤S6、S7确定的各区域内两级串联伺服油缸运动规则和优化获得的缓冲区[α1α2]，并依据实际调试，选取迎角α和一、二级伺服油缸行程l1、l2对应位置点，嵌入到
PLC控制器系统中，进行曲线拟合；
[0020]S9、试验时，由PLC控制系统根据目标角度进行曲线数值查询，并控制一、二级伺服油缸严格按曲线运行，进而实现机构迎角的精确定位，确保机构平稳运行，无速度突变。
[0021]上述两级串联伺服油缸驱动迎角机构精确定位的优化方法，专利技术人对控制系统在试验过程中的稳定性/控制精度等动态和稳态性能进行了大量分析，从而提出了上述可满足控制要求的优化方法。本专利技术以迎角α与两级串联伺服油缸总行程l的关系α＝f(l)为基础，先后对迎角和油缸总行程的设计参数和实际参数进行确定，再根据迎角机构结构形式、油缸输出力特性确定极限工况，并对极限工况下半弯刀机构进行受力分析，由此进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种两级串联伺服油缸驱动迎角机构精确定位的优化方法，其特征在于，所述优化方法基于迎角机构和伺服控制系统实现，所述迎角机构包括支杆、半弯刀机构、一级伺服油缸、二级伺服油缸、圆弧导轨，试验模型通过支杆安装于半弯刀机构上，一级伺服油缸作为外缸、二级伺服油缸作为内缸串联构成两级串联伺服油缸，两级串联伺服油缸与半弯刀机构铰链连接，两级串联伺服油缸驱动半弯刀机构沿圆弧导轨滑动从而带动试验模型绕模型旋转中心作旋转运动，实现试验模型迎角α的变化；所述伺服控制系统包括油源系统、一级伺服油缸伺服阀、二级伺服油缸伺服阀、PLC核心控制器、一级伺服油缸位置编码器、二级伺服油缸位置编码器；一级伺服油缸位置编码器、二级伺服油缸位置编码器分别安装于一级伺服油缸、二级伺服油缸上；PLC核心控制器通过位置反馈信号电缆分别与一级伺服油缸位置编码器、二级伺服油缸位置编码器相连接，PLC核心控制器还通过控制信号电缆分别与一级伺服油缸伺服阀、二级伺服油缸伺服阀相连；一级伺服油缸伺服阀、二级伺服油缸伺服阀通过进/回油管路分别与一级伺服油缸、二级伺服油缸相连接；油源系统通过进/回油管路分别与一级伺服油缸伺服阀、二级伺服油缸伺服阀相连接；油源系统为一级伺服油缸伺服阀、二级伺服油缸伺服阀供/回油；PLC核心控制器根据设定仰角α控制一级伺服油缸、二级伺服油缸的进/回油流量，以实现一级伺服油缸、二级伺服油缸的精确定位；一级伺服油缸位置编码器、二级伺服油缸位置编码器分别检测一级伺服油缸、二级伺服油缸的行程并向PLC核心控制器实时传递行程数据；PLC核心控制器实时接收行程数据，用于位置控制闭环；所述优化方法包括以下步骤：S1、根据迎角机构的设计，获得迎角α与两级串联伺服油缸总行程l的函数关系α＝f(l)如下所示，并确定迎角机构的迎角α与两级串联伺服油缸总行程l设计参数取值范围：式中，l1、l2分别为一级伺服油缸和二级伺服油缸行程，f为迎角α与两级串联伺服油缸总行程l的关系准则，均由结构设计参数获得；S2、通过调试前单动，获得迎角机构的迎角α与两级串联伺服油缸总行程l实际参数取值范围；S3、根据迎角机构与两级串联伺服油缸结构形式，以及一、二级伺服油缸输出力参数，确定运行极限工况，所述极限工况为一、二级伺服油缸出力与半弯刀机构重力作用在半弯刀机构上的切向分力方向相反；S4、在极限工况下，进行半弯刀机构受力分析：假设此工况下，由一、二级伺服油缸单独驱动半弯刀机构运动，获得迎角α与一、二级伺服油缸作用在迎角机构半弯刀上的切向合力f
T1
、f
T2
关系曲线；S5、基于迎角α与一、二级伺服油缸作用在迎角机构半弯刀上的切向合力f
T1
、f
T2
关系曲线，对迎角α对应的两级串联伺服油缸总行程l进行初步分配，分配原则为：作为内缸的二级伺服油缸切向合力不能驱动机构运动时，则初步设定由一级油缸单独驱动迎角机构运动，其他区域由一、二级伺服油缸联动完成机构迎角定位；S6、在S5基础上进一步优化，构建缓冲机制：设...

【专利技术属性】
技术研发人员：王飞，褚卫华，王生利，陈万华，沈红，邱荣凯，周波，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：