高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法

摘要

本发明公开了一种高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法，涉及风洞试验中的伺服控制领域，包括：步骤一，选取伺服系统的主轴和从轴，并分别建立主轴位置与喷管型面马赫数之间的映射关系、主轴与各从轴之间的运动关系；步骤二，基于上述映射关系、运动关系规划主轴和从轴运动轨迹；步骤三，对多轴运动中从轴相对于主轴的协同误差进行实时补偿。本发明提供一种高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法，在主从控制的基础上，采用运动轨迹规划策略，突破现有的控制策略仅应用于多轴定比例同步的局限，使其适用于多轴变比例同步的高速风洞喷管型面连续变马赫数控制。

权利要求

1.一种高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法，其特征在于，包括：步骤一，选取伺服系统的主轴和从轴，并分别建立主轴位置与喷管型面马赫数之间的映射关系、主轴与各从轴之间的运动关系；

步骤二，基于上述映射关系、运动关系规划主轴和从轴运动轨迹；

步骤三，对多轴运动中从轴相对于主轴的协同误差进行实时补偿；

在步骤一中，所述主轴位置与喷管型面马赫数之间的映射关系建立方式为：在风洞喷管调试时，采用测量的方式采集多个型面马赫数对应的各驱动轴位置作为样本数据；

基于所述样本数据，采用插值的方法获得任意喷管型面马赫数Ma对应主轴的目标位置S0，进而建立如下的映射函数：S0＝f(Ma→S0)Ma；

在步骤一中，所述主轴与各从轴之间的运动关系建立方式为：基于所述样本数据，采样插值的方法，建立各从轴与主轴之间的如下非线性传递函数：Sn＝f(S0→Sn)S0，n＝1，2，3......

其中，Sn为n号驱动轴位置。

2.如权利要求1所述的高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法，其特征在于，在步骤一中，所述主轴被配置为选取伺服系统中运动行程最大的轴作为主轴，其它轴均作为从轴。

3.如权利要求1所述的高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法，其特征在于，在步骤二中，所述主轴和从轴运动轨迹规划是基于对伺服系统中液压执行机构在加速阶段、匀速阶段和减速阶段的模拟，根据目标位置和目标速度，为各轴伺服控制器设置相应的位置指令和速度指令，以实现位置闭环控制。

4.如权利要求3所述的高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法，其特征在于，所述主轴的运动轨迹规划方式为：基于控制对象的最大出力和运动物体的质量确定运动加速度a0，以及目标位置S0、主轴运动速度V0生成主轴的运动轨迹，获得主轴实时位置指令S0_real(k)；

将S0_real(k)和V0发送给主轴伺服控制器，实现主轴按照规定轨迹运动。

5.如权利要求3所述的高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法，其特征在于，所述从轴的运动轨迹规划方式为：从轴的运动轨迹基于运动关系与主轴保持同步，从轴的实时位置指令Sn_real(k)按照下式计算：Sn_real(k)＝f(S0→Sn)S0_real(k+1)，n＝1，2，3......

通过超前一步计算从轴的实时位置指令以消除从轴跟随主轴运动的滞后，则从轴的速度指令Vn_real(k)通过下式获得：Vn_real(k)＝(Sn_real(k+1)‑Sn_real(k))/T，n＝1，2，3......

上式中，T为控制周期；

将实时位置指令Sn_real(k)和速度指令Vn_real(k)，发送至对应的从轴伺服控制器，使从轴位置按照规定的轨迹运动。

6.如权利要求5所述的高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法，其特征在于，所述协同误差en(k)为主轴实际位置对应的各从轴同步位置与从轴实际位置的偏差，en(k)通过下式获得：en(k)＝Sn_actual‑f(S0→Sn)S0_actual，n＝1，2，3......

上式中，Sn_actual为各从轴实际位置，S0_actual为主轴实际位置；

基于上述en(k)，采用下式对各从轴实时位置指令进行补偿：Sn_real(k)＝f(S0→Sn)S0_real(k+1)+en(k)，n＝1，2，3......。

说明书

高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风洞试验中的伺服控制领域。更具体地说，本发明涉及一种高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法。

背景技术

[0002] 在大型高速风洞中，为了克服风洞试验过程中喷管型面受到的近百吨的气动载荷，实现连续变马赫数功能，在国内首次采用全液压伺服驱动方式驱动喷管型面，利用伺服油缸直接驱动上下壁板成型，到位后通过油缸位置闭环，克服壁板上气动载荷干扰保持设定型面。同时，在连续变马赫数试验过程中，喷管型面在任何时刻都应满足预期气动设计型面要求。为实现上述目标，控制系统必须实现多伺服油缸的精确协同控制功能。

[0003] 针对多轴同步控制问题，目前常用的控制策略可划分为非耦合多轴同步控制方法和耦合多轴同步控制方法。非耦合同步控制策略包括同一给定控制、主从控制等。耦合同步控制策略包括交叉耦合、偏差耦合、环形耦合控制。非耦合同步控制策略存在抗扰能力差、同步性不高的问题。耦合同步控制策略随着轴数的增加计算量显著增大。更为重要的是，现有的耦合同步控制策略只适用于定比例同步，即各运动轴之间以固定的比例保持同步。

[0004] 在喷管型面连续变马赫数过程中，各轴为变速度运动的过程，相互间的速度比例并不恒定，现有技术满足不了这一功能性需要，因此针对这一高精度、变比例协同控制问题，需要设计新的控制方法。

发明内容

[0005] 本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

[0006] 为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高速风洞喷管型面连续变马赫数的伺服控制方法，包括：

[0007] 步骤一，选取伺服系统的主轴和从轴，并分别建立主轴位置与喷管型面马赫数之间的映射关系、主轴与各从轴之间的运动关系；

[0008] 步骤二，基于上述映射关系、运动关系规划主轴和从轴运动轨迹；

[0009] 步骤三，对多轴运动中从轴相对于主轴的协同误差进行实时补偿。

[0010] 优选的是，在步骤一中，所述主轴被配置为选取伺服系统中运动行程最大的轴作为主轴，其它轴均作为从轴。

[0011] 优选的是，在步骤一中，所述主轴位置与喷管型面马赫数之间的映射关系建立方式为：

[0012] 在风洞喷管调试时，采用测量的方式采集多个型面马赫数对应的各驱动轴位置作为样本数据；

[0013] 基于所述样本数据，采用插值的方法获得任意喷管型面马赫数Ma对应主轴的目标位置S0，进而建立如下的映射函数：

[0014] 。

[0015] 优选的是，在步骤一中，所述主轴与各从轴之间的运动关系建立方式为：

[0016] 基于所述样本数据，采样插值的方法，建立各从轴与主轴之间的如下非线性传递函数：

[0017]

[0018] 其中，Sn为n号驱动轴位置。

[0019] 优选的是，在步骤二中，所述主轴和从轴运动轨迹规划是基于对伺服系统中液压执行机构在加速阶段、匀速阶段和减速阶段的模拟，根据目标位置和目标速度，为各轴伺服控制器设置相应的位置指令和速度指令，以实现位置闭环控制。

[0020] 优选的是，所述主轴的运动轨迹规划方式为：

[0021] 基于控制对象的最大出力和运动物体的质量确定运动加速度a0，以及目标位置S0、主轴运动速度V0生成主轴的运动轨迹，获得主轴实时位置指令S0_real(k)；

[0022] 将S0_real(k)和V0发送给主轴伺服控制器，实现主轴按照规定轨迹运动。

[0023] 优选的是，所述从轴的运动轨迹规划方式为：

[0024] 从轴的运动轨迹基于运动关系与主轴保持同步，从轴的实时位置指令Sn_real(k)按照下式计算：

[0025]

[0026] 通过超前一步计算从轴的实时位置指令以消除从轴跟随主轴运动的滞后，则从轴的速度指令Vn_real(k)通过下式获得：

[0027]

[0028] 上式中，T为控制周期；

[0029] 将实时位置指令Sn_real(k)和速度指令Vn_real(k)，发送至对应的从轴伺服控制器，使从轴位置按照规定的轨迹运动。

[0030] 优选的是，所述协同误差en(k)为主轴实际位置对应的各从轴同步位置与从轴实际位置的偏差，en(k)通过下式获得：

[0031]

[0032] 上式中，Sn_actual为各从轴实际位置，S0_actual为主轴实际位置；

[0033] 基于上述en(k)，采用下式对各从轴实时位置指令进行补偿：

[0034] 。

[0035] 本发明至少包括以下有益效果：

[0036] （1）本发明在主从控制的基础上，采用插值的运动轨迹规划策略，突破现有的控制策略仅应用于多轴定比例同步的局限，使其适用于多轴变比例同步的高速风洞喷管型面连续变马赫数控制。

[0037] （2）本发明考虑到主从轴协同误差，引入了协同误差补偿实时控制，增加了从轴的抗干扰能力，提高了主从轴的同步精度。

[0038] （3）本发明模拟液压执行机构的加速阶段、匀速阶段和减速阶段生成控制指令，使得风洞喷管控制系统启动和停止阶段具有良好的平稳性和同步性。

[0039] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

[0040] 图1为现有技术中风洞喷管上下型面驱动油缸布置示意图；

[0041] 图2为本发明的主轴实时位置指令示意图；

[0042] 图3为本发明主从轴位置同步关系示意图。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0044] 一种高速风洞喷管型面连续变马赫数控制方法，包括：选取主轴和从轴、建立主轴位置与喷管型面马赫数之间的映射关系、建立主轴与各从轴之间的运动关系、主轴和从轴运动轨迹规划、协同误差补偿等步骤。具体来说，各步骤细化为：

[0045] 步骤1：选取某一个轴作为主轴，其余轴作为从轴。优选运动行程最大的轴作为主轴。

[0046] 步骤2：建立主轴位置与喷管型面马赫数之间的映射关系。

[0047] 风洞喷管调试时，通过精确测量可以得到若干个典型型面马赫数对应的各驱动轴位置。根据这些样本数据，采用插值的方法可以获得任意喷管型面马赫数Ma对应的主轴的位置S0，建立相关的映射函数，即：

[0048]

[0049] 优选三次样条插值，可保证在样本点上插值计算结果与样本数据一致。

[0050] 步骤3：建立主轴与各从轴之间的运动关系。

[0051] 若干个典型型面马赫数对应的各驱动轴位置样本数据，采样插值的方法，建立各从轴与主轴之间非线性传递函数，即：

[0052]  Sn为n号驱动轴位置。优选三次样条插值，可保证在样本点上插值计算结果与样本数据一致。

[0053] 步骤4：主轴和从轴运动轨迹规划。

[0054] 为了保证喷管连续变马赫数过程中各驱动轴的平稳性，避免突然的加速或者减速，需要对各轴的运动轨迹进行规划。模拟液压执行机构的加速阶段、匀速阶段和减速阶段，根据目标位置和目标速度，为其设置合理的位置指令和速度指令。所述位置指令和速度指令发送给各轴伺服控制器实现位置闭环控制。

[0055] 主轴运动轨迹规划。主轴的目标位置S0根据步骤2进行计算，主轴运动速度V0预先给定，然后根据液压执行机构的最大出力和运动物体的质量，在考虑安全裕量的前提下，确定一个运动加速度a0，在实际的应用中，加速度a0为固定值或者是时变的。在确定目标位置S0、主轴运动速度V0和加速度a0这三个参数后，即可生成主轴的运动轨迹，获得主轴实时位置指令S0_real(k)。将S0_real(k)和V0发送给主轴伺服控制器，实现主轴按照规定轨迹运动。

[0056] 各从轴的运动轨迹按照步骤3中的规则与主轴保持同步，从轴的实时位置指令Sn_real(k)按照下式计算：

[0057]上式中，为了消除从轴跟随主轴运动的滞后，超前一步计算从轴的实时位置指令。

[0058] 则从轴的速度指令

[0059]T为控制周期。将从轴的实时位置指令Sn_real(k)和速度指令Vn_real(k)，发送至对应的轴伺服控制器，实现从轴位置按照规定的轨迹运动。

[0060] 步骤5：协同误差补偿。多轴实际运行过程中，从轴与主轴之间存在一定的协同误差，所述协同误差定义为主轴实际位置对应的各从轴同步位置与从轴实际位置的偏差，即：

[0061]

[0062] Sn_actual为各从轴实际位置，S0_actual为主轴实际位置。根据协同误差，对各从轴实时位置指令进行补偿：

[0063]

[0064] 实施例：

[0065] 1、以某高速风洞喷管控制系统为例，该风洞喷管分上下两个型面，上下驱动轴对称分布，单边有11组轴，总有22组轴，见图1。其中3#轴运动行程最大，选取3#轴作为主轴，其余21组驱动轴作为从轴。每个喷管型面马赫数对应的各驱动轴位置事先已获知，如下所示：

[0066]

[0067] m个喷管型面马赫数对应m组驱动轴位置数据。

[0068] 2、建立主轴位置与喷管型面马赫数之间的映射关系。所述建立主轴位置与喷管型面马赫数之间的映射关系，即给定任意喷管型面马赫数可计算出主轴位置。根据公式（7）中的数据，仅可知m个典型马赫数对应的主轴位置，因此需要从m组样本点中通过插值或者拟合的方法获取中间任意喷管型面马赫数对应的主轴位置。风洞喷管实际运行要求在样本点上插值计算结果与样本数据一致，并且要兼顾计算量和插值曲线的光滑性，这里优选三次样条插值方法。根据m组样本数据，可计算出(m‑1)×4维样条系数矩阵GMa→0，样条系数矩阵的计算方法，本专利不再说额外说明。

[0069] 3、建立主轴与各从轴之间的运动关系。所述建立主轴与各从轴之间的运动关系，即给定主轴目标位置可计算出各从轴目标位置。根据步骤2中的数据，仅可知m个主轴位置对应的各从轴位置，因此需要从m组样本点中通过插值或者拟合的方法获取任意主轴位置对应的从轴位置，仍选择三次样条插值方法。根据根据m组样本数据，计算出每个从轴各自的(m‑1)×4维样条系数矩阵G0→1，G0→2，……，G0→22。

[0070] 4、主轴和从轴运动轨迹规划。为了保证喷管连续变马赫数过程中各驱动轴的平稳性，避免突然的加速或者减速，需要对各轴的运动轨迹进行规划。模拟液压执行机构的加速阶段、匀速阶段和减速阶段，根据目标位置和目标速度，为其设置合理的位置指令和速度指令。所述位置指令和速度指令发送给各轴伺服控制器实现位置闭环控制。

[0071] 主轴运动轨迹规划，包括以下几个步骤：

[0072] 1）计算主轴目标位置S0。根据给定的喷管型面马赫数Ma，判断其在m个型面马赫数样本点的区间位置i，1≤i≤m‑1。然后，根据三次样条插值计算公式，计算主轴目标位置S0：

[0073]

[0074] 2）生成主轴实时位置指令。主轴运动速度V0预先给定，然后根据液压执行机构的最大出力和运动物体的质量，在考虑安全裕量的前提下，确定一个运动加速度a0。在确定目标位置S0、主轴运动速度V0和加速度a0这三个参数后，按照运动学定律即可生成主轴的运动轨迹，获得主轴实时位置指令S0_real(k)，如图2所示，这里是以加速度a0为固定值为例。

[0075] 将S0_real(k)和V0发送给主轴伺服控制器，实现主轴按照规定轨迹运动。

[0076] 从轴运动轨迹规划。从轴需要与主轴保持同步，其运动轨迹由主轴运动轨迹确定。在计算出从轴样条系数矩阵G0→n，n=1,2……22后，按照以下步骤计算从轴实时目标：

[0077] 1）判断主轴实时位置指令S0_real(k)，在主轴位置m个样本点的区间位置j，1≤j≤m‑1。

[0078] 2）根据三次样条插值计算公式，计算各从轴实时目标位置：

[0079]

[0080] 上式中，为了消除从轴跟随主轴运动的滞后，超前一步计算从轴的实时位置指令，主从轴位置同步关系见图3，当然地，图3只给出了喷管上型面11组轴的位置同步关系。

[0081] 5、协同误差补偿。多轴实际运行过程中，各轴不可能完全按照理想的轨迹运动，因此从轴与主轴之间存在一定的协同误差，所述协同误差定义为主轴实际位置对应的各从轴同步位置与从轴实际位置的偏差，即：

[0082]

[0083] Sn_actual为各从轴实际位置，S0_actual为主轴实际位置。

[0084] 根据协同误差，对各从轴实时位置指令进行补偿：

[0085]

[0086] 补偿后的各从轴速度指令为：

[0087] 将从轴的补偿后的实时位置指令 和速度指令 ，发送至对应的轴伺服控制器，实现从轴跟随主轴运动。

[0088] 以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

[0089] 这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

[0090] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。