本发明涉及一种用于估计作用于电静液作动器的外力的方法，该作动器包括液压缸、泵和电动马达，该液压缸包括第一室、第二室以及位于第一室和第二室之间的活塞；该泵能够使流体注入到室中以控制活塞的移动；该电动马达驱动该泵。该方法包括以下步骤：通过至少一个状态观测器(21、22)由电动马达的转速、活塞的位置和电动马达的供电电流估计第一室和第二室之间的等效流体压力差的动态分量和静态分量；通过后处理模块(23)以所估计的流体压力差的动态分量和静态分量的组合估计外力。
用于估计作用于电静液作动器的外力的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于估计作用于电静液作动器(electrohydrostatic actuator)的外力的方法，以及一种被编程为实施该方法的控制单元。
背景技术
[0002] 在飞行器中，控制表面使得能够改变飞行器表面周围的空气流动，以控制飞行器在空间中的方位。
[0003] 在飞机中，飞行控制表面包括例如在飞行阶段被致动的主飞行控制表面和只在某些低速阶段、尤其是起飞和着陆阶段期间被致动的次级飞行控制表面(前缘缝翼、高升襟翼)。
[0004] 在主飞行控制表面中，位于飞机机翼端部的副翼使得能够控制飞机的滚转运动。
[0005] 这些控制表面相对于飞机机翼的结构可枢转地安装，并且每个控制表面均由被容置在飞机机翼中的一个或更多个作动器机械地致动。
[0006] 在某些飞机中，用于致动控制表面的作动器是电静液作动器或EHA。这些作动器通常包括电动马达、专用泵和液压缸(ram)以及独立的流体储存器。液压马达驱动泵，使得流体注入到液压缸的室中以使活塞移位。
[0007] 这种类型的作动器由电子控制单元所产生的电控制信号控制。电控制信号使得能够调节马达的转速。
[0008] 在操作中，液压缸受到特别是由作用于气动表面的气动力产生的外力。因此，必须实时调节电动马达的转速，以使得液压缸产生抵抗液压缸所受到的外力的反作用力，从而将控制表面保持在设定位置。
[0009] 然而，为了避免损坏飞机的结构和/或控制表面，可能需要限制由液压缸产生的反作用力。由液压缸产生的反作用力不得超过通常由飞行器制造商所限定的预定极限值。
[0010] 用于限制反作用力的已知方案在于，当在液压缸的室中检测到的压力差(该压力差基本上代表由该液压缸产生的反作用力)接近预定的阈值时，校正电动马达所接收到的电控制信号。电动马达因而被控制为使得液压缸的室中的压力差保持低于该阈值。
[0011] 为了实现这样的校正，需要通过压力传感器来测量液压缸的室中的压力。也可行的是通过力传感器测量作用于液压缸的外力。然而，在这两种情况下，需要提供特定的传感器，这增加了作动器的体积和质量，并且涉及使用额外的电子设备来处理由这些传感器提供的测量信号。
发明内容
[0012] 本发明的一个目的是提出一种用于在不借助于测量液压缸的室中的压力差或外力的传感器的情况下确定作用于电静液作动器的外力的方案。
[0013] 根据本发明，通过一种用于估计作用于电静液作动器的外力的方法实现了该目的，该作动器包括液压缸、泵和电动马达，该液压缸包括第一室、第二室以及位于第一室和第二室之间的活塞；该泵能够使流体注入到室中以控制活塞的移动；该电动马达驱动该泵，该外力是作用于液压缸的轴向力，
[0014] 该方法包括以下步骤：
[0015] -通过至少一个状态观测器由电动马达的转速、活塞的位置和电动马达的供电电流估计第一室和第二室之间的等效流体压力差的动态分量和静态分量；
[0016] -通过后处理模块以所估计的流体压力差的动态分量和静态分量的组合估计外力。
[0017] 所提出的方法一方面基于等效压力差的动态分量的估计，另一方面基于等效压力差的静态分量的估计。
[0018] 压力差的这两个分量由电动马达的转速、活塞的位置和电动马达的供电电流分别估计，这三个变量通常可用于作动器的位置的伺服控制，这避免了使用额外的压力传感器或力传感器。(然而，如果需要的话，这样的传感器可用于提供测量的巩固。)
[0019] 于是，通过组合由状态观测器提供的这两个分量简单地重构作用于作动器的外力。
[0020] 根据本发明的一个可能的实施例，该方法包括以下步骤：
[0021] -通过第一状态观测器由电动马达的转速和活塞的位置估计第一室和第二室之间的等效流体压力差的动态分量和活塞的移动速度；和
[0022] -通过第二状态观测器从由第一观测器所估计的活塞的移动速度、电动马达的转速和电动马达的供电电流来估计第一室和第二室之间的等效流体压力差的静态分量。
[0023] 串联的两个状态观测器的使用使得能够依次估计等效压力差的动态分量和等效压力差的静态分量，这使得能够克服由单个状态观测器估计等效压力差的困难之处。
[0024] 所提出的方法可以进一步具有以下特征：
[0025] -第一观测器使用电动马达的转速作为输入，和使用活塞的位置作为所测量的输出；
[0026] -第二观测器使用电动马达的转速和电动马达的供电电流作为输入，和使用组合了活塞的移动速度和电动马达的转速的变量作为所测量的输出；
[0027] -通过第一观测器由作动器的第一数学模型来估计等效流体压力差的动态分量，在该第一数学模型中，作用于作动器的外力为零；
[0028] -该第一数学模型为如下形式：
[0029]
[0030] 其中，xobs是所估计的活塞的位置，vobs是所估计的活塞的速度，ΔPdyn_bs是所估计的等效压力差的动态分量，Ω马达是电动马达的转速，xmes是所测量的活塞位置，γ、μ、λ是该模型的恒定参数，k11、k12、k13是第一观测器的增益，用于调节第一观测器的动力学和稳定性；
[0031] -通过第二观测器由作动器的第二数学模型估计流体压力的第二静态分量，其中，认为等效流体压力差的静态分量与外力成比例；
[0032] -第二数学模型为如下形式：
[0033]
[0034] 其中，X1是被定义为 的静态变量，并且
[0035] 其中，X1_obs是所估计的状态变量X1，ΔPstat_obs是所估计的等效压力差的静态分量，X1_mes是所测量的状态变量X1，Ω马达是电动马达的转速，I马达是电动马达的供电电流，α、β、μ和ε是该模型的恒定参数，k21和k22是第二观测器的增益，用于调节第二观测器的动力学和稳定性；
[0036] -观测器是确定类型的或随机类型的观测器；
[0037] -作动器是飞行器的飞行控制表面作动器。
[0038] 本发明还涉及一种用于控制电静液作动器的方法，该作动器包括液压缸、泵和电动马达，该液压缸包括第一室、第二室以及位于第一室和第二室之间的活塞；该泵能够使流体注入到室中以控制活塞的移动；该电动马达通过执行如下步骤的控制单元驱动该泵，所述步骤即：
[0039] -控制单元产生控制信号以控制电动马达；
[0040] -控制单元根据此前定义的估计方法来估计作用于电静液作动器的外力；
[0041] -控制单元根据所估计的外力来确定控制信号的校正变量；
[0042] -控制单元将校正变量应用于控制信号，以限制液压缸的室中的流体压力。
[0043] 本发明还涉及一种用于控制电静液作动器的控制单元，该作动器包括液压缸、泵和电动马达，该液压缸包括第一室、第二室以及位于第一室和第二室之间的活塞；该泵能够使流体注入到室中以控制活塞的移动；该电动马达驱动该泵，所述控制单元被配置成产生控制信号以控制电动马达、根据此前定义的估计方法来估计作用于电静液作动器的外力、根据所估计的外力确定控制信号的校正变量和将该校正变量应用于控制信号以限制液压缸的室中的流体压力。
[0044] 本发明还涉及一种电静液作动器和相关的控制单元，该控制单元是根据前述定义所述的控制单元。
附图说明
[0045] 通过下文的描述，其他特征和优点将被披露，这些描述纯粹是说明性的而且不是限制性的，并且应参照附图来阅读，在附图中：
[0046] -图1示意性地示出根据本发明的一个实施例的电静液作动器和控制单元；
[0047] -图2示意性地示出由控制单元实施的用于控制电静液作动器的方法的步骤；
[0048] -图3示意性地示出用于估计作用于电静液作动器的外力的方法的步骤；
[0049] -图4是示意性地示出图3的估计方法的图。
具体实施方式
[0050] 在图1中，所示的电静液作动器1包括电动马达2、液压泵3和液压缸4。
[0051] 电动马达2例如是同步永磁马达。电动马达2由控制信号控制，使得能够调节在马达2中流通的供电电流的强度。在永磁同步马达的情况下，供电电流是三相正弦电流。
[0052] 液压泵3例如是固定排量泵。泵3通过泵轴5连接至电动马达2的转子，电动马达2驱动泵轴5旋转。
[0053] 液压缸4包括缸体6、能够在缸体内部轴向地移位的活塞7和安装为固定至活塞的活塞杆8。缸体6和活塞杆7用于例如分别连接至飞行器的结构和飞行器的飞行控制表面以使飞行控制表面相对于飞行器的结构移位。
[0054] 活塞7在缸体6的内部界定第一室14和第二室15，这两个室在缸体6内部、在活塞7的两侧延伸。
[0055] 当电动马达2驱动泵3旋转时，泵3将流体注入到第一室14和/或第二室15的内部，以使活塞7在缸体6内部移位，从而调节控制表面相对于机翼结构的位置。
[0056] 容纳在第一室14中的流体处于第一压力P1，容纳在第二室15中的流体处于第二压力P2。
[0057] 两个室14和15之间的压力差定义为第一压力P1和第二压力P2的线性组合。
[0058] 在对称的液压缸的情况下，压力差ΔP定义为第一压力P1和第二压力P2之间的差：
[0059] ΔP＝P1-P2
[0060] 在不对称的液压缸的情况下，所考虑的压力差是等效压力差ΔPeq，计算如下：
[0061]
[0062] 其中，S1是液压缸的在第一室14这一侧的横截面，S2是液压缸的在第二室15这一侧的横截面。
[0063] 此外，如图1所示，电静液作动器1受到外力。更准确地说，液压缸4的杆8受到外力Fext。该外力尤其是通过作用于飞行控制表面的气动力产生。外力Fext是轴向力，即，其方向平行于活塞7相对于缸体6的移动方向的力。
[0064] 电动马达2由控制单元10控制。
[0065] 控制单元10能够接收位置设定信号、位置测量信号、电动马达转速测量信号(或者泵轴的旋转)和电动马达的供电电流测量信号作为输入，并且产生用于控制电动马达2的电压控制信号作为输出。
[0066] 由控制单元10接收的位置设定信号表示杆(或活塞)的期望位置，该位置例如由飞行器的飞行员确定。
[0067] 由控制单元10接收的位置测量信号表示杆(或活塞)的所测量的位置。位置测量信号由整合到液压缸4中的位置传感器产生，所述位置传感器例如霍尔效应传感器。
[0068] 由控制单元10接收的电动马达转速测量信号表示电动马达(或泵轴5)的转速。转速测量信号由与泵轴5或电动马达2的转子相关联的速度传感器产生，所述速度传感器例如增量编码器。
[0069] 由控制单元10接收的电流测量信号表示给电动马达的定子供电的电流的强度。在同步永磁马达的情况下，电流是三相电流，并且电流的强度是电流的一个相的强度的有效值。
[0070] 控制单元10包括第一控制模块11、第二控制模块12、第三控制模块13和第四控制模块20。模块11至13和20可以是通过适当的通信装置彼此相连接的物理模块。模块11至13和20可以可替代地为适于在其由处理器执行时彼此交互的计算机程序指令块。于是，这些模块可以一起形成可由至少一个处理器执行的计算机程序。
[0071] 第一控制模块11能够根据位置设定信号和位置测量信号产生速度设定信号。
[0072] 第二控制模块12能够根据速度设定信号和速度测量信号产生电流设定信号。
[0073] 第三控制模块13能够根据电流设定信号和电流测量信号产生电压信号以控制电动马达。
[0074] 第四控制模块20能够根据位置测量信号、速度测量信号和电流测量信号产生校正信号以校正电流设定信号。
[0075] 通过倍增器将校正信号应用于电流设定信号。
[0076] 校正信号的应用使得当作用于电静液作动器1的外力Fext变得太大时，能够限制液压缸4的室14和15之间的流体压力差。
[0077] 图2示意性地示出用于控制电静液作动器的方法100的步骤，该方法100由控制单元10实施。
[0078] 根据第一步骤110，控制模块13产生控制信号以控制电动马达2。
[0079] 根据第二步骤120，控制模块20根据电动马达的转速Ω马达、活塞的位置x和电动马达的供电电流I马达来估计作用于电静液作动器1的外力Fext，电动马达的转速、活塞的位置和该马达的供电电流由传感器测量。
[0080] 根据第三步骤130，控制模块20根据在第二步骤所估计的力Fext的值来确定控制信号的校正变量。具体地，校正变量可以是这样的：如果外力小于阈值，则校正变量等于1；如果外力介于第一阈值和第二阈值之间，则校正变量在0与1之间线性递减；如果外力大于第二阈值，则校正变量等于0。
[0081] 根据第四步骤140，控制模块20将校正变量应用于控制信号，以限制液压缸的室14和15之间的流体压力差，并由此限制由电静液作动器产生的反作用力。
[0082] 图3和图4示意性地示出在第二步骤120期间由控制模块20实现的用于估计外力Fext的方法。
[0083] 用于估计外力Fext的方法实施第一状态观测器21、第二状态观测器22和后处理模块23。
[0084] 状态观测器21和22以及后处理模块23可以是通过适当的通信装置彼此相连接的物理模块，或者适于在其由处理器执行时彼此交互的计算机程序指令块。于是，状态观测器21、22和后处理模块23可以一起形成可由至少一个处理器执行的计算机程序。
[0085] 对于状态观测器，可以参考书籍“Automatique appliquée”(应用自动化)，Philippe de Larminat著作，第2版，2009，Hermes Science Publications(爱马仕科学出版社)，第8.3章-Observateurs LTI(LTI观察者)，第209页及后续页。
[0086] 回想一下，状态观测器使得能够由系统的数学模型和其他参量的测量结果重构系统的不可测量的状态。假设例如系统具有一个输入U、(测量的)输出Y和用于估计的(未测量的)状态X。
[0087] 动态观测器为如下形式：
[0088]
[0089] Yobs＝CXobs
[0090] 其中，Ymes是输出Y的测量结果，Yobs是观测器对输出Y的估计结果，A、B、C是系统的数学模型的参数的矩阵，L是选择成使得状态的误差(Xobs-X)趋于0的增益矩阵。
[0091] 观测器可以写成如下：
[0092]
[0093] 状态观测器21和22可以是确定类型的或随机类型的观测器。确定类型的状态观测器的例子是Luenberger(龙贝格)观测器。随机类型的状态观测器的例子是Kalman(卡尔曼)观测器。
[0094] 根据第一步骤121，控制模块20通过第一状态观测器21由电动马达的所测量的转速Ω马达和活塞7的所测量的位置x估计液压缸4的室14和15之间的流体压力差的动态分量ΔPdvn和活塞7的移动速度v。
[0095] 第一观测器21使用电动马达的转速Ω马达作为系统的输入，和使用活塞的位置x作为输出。
[0096] 通过第一观测器21由第一数学模型估计流体压力差的动态分量ΔPdyn。
[0097] 由于在该步骤只估计了压力差的动态分量ΔPdyn，所以第一数学模型基于作用于作动器的外力Fext为零这一假设。
[0098] 因此，第一确定性数学模型为如下形式：
[0099]
[0100] 其中，xobs是所估计的活塞的位置，vobs是所估计的活塞的速度，ΔPdyn_obs是所估计的压力差的动态分量，Ω马达是电动马达的转速，xmes是所测量的活塞的位置，γ、μ、λ是该模型的恒定参数，k11、k12、k13是第一观测器的增益。
[0101] 参数γ、μ、λ可以例如通过参数识别技术由针对作动器的实际测验来获得。
[0102] 增益k11、k12、k13在确定性模型的情况下通过极点配置技术来获得，或者在随机性模型的情况下通过约束函数优化技术来获得。
[0103] 例如，可以扩展第一数学模型以考虑其他变量，例如泵泄漏。
[0104] 该第一步骤121使得获得液压缸的两个室14和15之间的压力差的动态分量的估计值ΔPdyn_obs。
[0105] 根据第二步骤122，控制模块20通过第二状态观测器22从此前由第一观测器所估计的活塞的移动速度v、电动马达的转速Ω马达和电动马达的供电电流I马达来估计两个室14和15之间的流体压力差的静态分量。
[0106] 第二观测器22使用电动马达的转速Ω马达和电动马达的供电电流I马达作为输入变量，和使用组合了活塞的移动速度v和马达的转速Ω马达的状态变量X1作为所测量的变量。
[0107] 通过第二观测器22由作动器的第二数学模型来估计流体压力差的静态分量ΔPstat。
[0108] 由于在该步骤只估计了压力差的静态分量ΔPstat，所以第二数学模型基于如下假设：作用于电静液作动器的外力Fext变化缓慢并且因此可被认为是恒力。在准静态(在活塞的低加速度的情况下)，液压缸的室14和15之间的流体压力差与外力Fext成比例。
[0109] 因此，第二确定性数学模型为如下形式：
[0110]
[0111] 其中，
[0112] 其中，X1_obs是所估计的状态变量X1，ΔPstat_obs是所估计的压力差的静态分量，X1_mes是所测量的状态变量X1，Ω马达是电动马达的转速，I马达是电动马达的供电电流，α、β、μ和ε是该模型的恒定参数，k21和k22是第二观测器的增益。
[0113] 参数α、β、μ和ε可以例如通过参数识别技术由针对作动器的实际测验来获得。
[0114] 增益k21和k22在确定性模型的情况下通过极点配置技术来获得，或者在随机性模型的情况下通过约束函数优化技术来获得。
[0115] 也可以扩展第二数学模型以考虑其他变量，例如泵泄漏。
[0116] 根据第三步骤123，控制模块20通过后处理模块23确定作动器的室之间的所估计的压力差ΔPobs。该估计的压力差ΔPobs被确定为由第一观测器估计的动态分量和由第二观测器估计的静态分量之和：
[0117] ΔPobs＝ΔPdyn_obs+ΔPstat_obs
[0118] 控制模块20还由所估计的压力差确定作用于作动器的所估计的外力Fext_obs。
[0119] 在对称的液压缸的情况下，外力确定如下：
[0120] Fext_obs＝ΔPobs×S液压缸
[0121] 其中，Fext_obs是所估计的外力，ΔPobs是所估计的压力差，S液压缸是液压缸的横截面的面积。
[0122] 在不对称的液压缸的情况下，外力确定如下：
[0123] Fext_obs＝ΔPeq_obs×S1
[0124] 其中
[0125] 其中，S1是液压缸的在第一室14这一侧的横截面，S2是液压缸的在第二室15这一侧的横截面。
[0126] 换言之，外力Fext被估计为由第一观测器21所估计的压力差的动态分量和由第二观测器22所估计的压力差的静态分量的线性组合。
[0127] 因此，通过组合来自两个状态观测器21和22的两个分量以简单的方式来重构作用于作动器的外力。
