CN110515388B - 一种小负载电动舵机模型计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于直升机飞行控制技术，提供一种小负载电动舵机模型计算方法，包括：将接收到的舵机控制指令通过伺服***乘以传动比k1，形成伺服控制律输入指令；该伺服控制律输入指令经过时间常数为T的惯性环节，再与舵机理论输出位移求差后得到位移偏差指令；位移偏差指令经过舵机死区环节后进行积分并乘以舵机等效速度得到舵机输出位移，所述舵机输出位移经过限幅环节得到新的舵机理论输出位移，此舵机理论输出位移为小负载电动舵机模型计算所得的舵机位置。本发明模型简单，置信度高。
Description
技术领域
本发明属于直升机飞行控制技术，涉及一种小负载电动舵机模型计算方法。
背景技术
电动舵机模型监控是监测伺服***健康状态的有力手段。但由于电动舵机输出特性与负载强相关，飞行过程中，舵机负载无法精确测量，导致舵机模型难以准确建立。工程应用中，一般先采集舵机相电流，通过相电流间接计算负载特性，从而建立舵机模型。但是，实际飞行过程中，舵机输出不是单向运动，而是反复进行伸出和缩回的周期运动形式，因此舵机本身处于加速-稳定-减速-停止-再加速的循环中，此时，舵机的电流-负载关系以及负载-转速关系非线性因素比较大，与试验室仿真结果及实测结果将会出现较大偏差，从而使得模型的置信度较低。以此为基础设计的模型监控很难逼真的表征伺服***的工作状态。因此，提高电动舵机模型精度是模型监控的关键环节。
发明内容
本发明的目的是：提供一种小负载电动舵机模型计算方法，简化以往建模方法中舵机输出与负载之间的耦合关系，采用舵机等效速度，建立适合于小负载电动舵机的建模方法，简化模型结构，降低模型阶次，提高模型可信度。
本发明的技术方案是：
一种小负载电动舵机模型计算方法，包括：
将接收到的舵机控制指令通过伺服***乘以传动比k1，形成伺服控制律输入指令；
该伺服控制律输入指令经过时间常数为T的惯性环节，再与舵机理论输出位移求差后得到位移偏差指令；
位移偏差指令经过舵机死区环节后进行积分并乘以舵机等效速度得到舵机输出位移，所述舵机输出位移经过限幅环节得到新的舵机理论输出位移，此舵机理论输出位移为小负载电动舵机模型计算所得的舵机位置。
所述伺服控制律输入指令经过时间常数为T的惯性环节具体为：
限定所述伺服控制律输入指令在T时间时达到稳定输出值的0.63倍。
所述位移偏差指令经过舵机死区环节具体为：
判断所述位移偏差指令是否小于等于舵机死区环节参数，如果是则所述位移偏差指令替换为0输出；否则，输出所述位移偏差指令与舵机死区环节参数的差。
还包括：
将小负载电动舵机模型计算的舵机位置与实际测量到的舵机位置反馈进行比较，得到舵机实际输出与理论输出之间的偏差，如果该偏差小于设计门限值，则Mode_out输出为0，判舵机运动正常；否则，Mode_out输出为1，判断小负载电动舵机模型监控出现瞬态故障，如果连续若干时间Mode_out输出为1，判断小负载电动舵机模型监控出现永久故障。
还包括：
当判断小负载电动舵机模型监控出现永久故障时，申报舵机模型监控故障。
申报舵机模型监控故障的功能在飞控***上电1秒钟后起动。
传动比k1＝0.5；舵机等效速度是22mm/s；时间常数T为0.1s。
舵机死区环节参数为0.03mm。
所述舵机输出位移经过限幅环节得到新的舵机理论输出位移具体为：
判断所述舵机输出位移是否在舵机限幅环节参数范围内，如果是，则新的舵机理论输出位移为所述舵机输出位移；否则，新的舵机理论输出位移为舵机限幅环节参数。
舵机限幅环节参数为±10mm。
本发明的优点是：对硬件要求低，无需计算电流与负载之间的耦合关系，不需要硬件搭建电流采集电路；模型简单，置信度高，仅通过舵机等效速度即可得到舵机输出特性，减少了舵机负载与速度特性之间的非线性关系，提高了模型的可信度。
附图说明
图1为本发明电动舵机模型监控框图。
具体实施方式
电动舵机模型监控框图如图1所示。接收到舵机控制指令Cmd后，通过伺服***传动比k1，形成伺服控制律输入指令，该指令经过以舵机惯性时间常数T为参数计算生成的惯性环节，之后，与理论输出位移PF1求差后得到位移偏差指令，位移偏差再经过以舵机死区常数为参数计算生成的死区环节，之后，经过以舵机速度常数为参数计算生成的积分环节，之后，经过以舵机行程为参数计算生成的限幅环节，得到舵机理论输出位移，最后，将理论输出位移与实际测量到舵机位置反馈求差，得到舵机理论输出与实际输出之间的偏差。如果该偏差小于设计门限值，则Mode_out输出为0，舵机运动正常，否则，Mode_out输出为1，申报舵机模型监控故障。
以下为具体过程：
1)确定模型监控起动时机。飞控***上电后，控制律指令输出是实时执行的，如果舵机未使能，舵机位置不能跟踪控制指令，模型监控会申报故障。如果模型监控在舵机使能时刻立刻起动，假如舵机初始位置与控制律当前指令偏差较大，则舵机运行至期望位置过程当中也可能申报出模型故障。因此，模型监控应在舵机使能之后并且持续一段时间T后起动。时间T的确定原则是不能小于舵机运行完整个电气行程所需要的时间。
2)模型参数确定。确定舵机起动特性。给舵机输入最大占空比控制信号，观察舵机从起动到达到60％稳定速度所需要的时间，作为模型中的舵机惯性参数。确定舵机间隙特性。在试验室环境下，手动按压和拉伸舵机输出轴，通过示波器观察舵机位置反馈变化值，作为模型中的舵机死区参数。确定舵机负载特性。如果舵机在整个电气行程内负载波动不大，通过数字仿真与加载方式确定舵机平均速度，该速度将作为模型中的舵机等效速度用于计算舵机位置。确定模型监控门限。监控门限一方面取决于伺服***的控制精度，另一方面取决于模型置信度水平，一般监控门限取舵机行程的20％～30％。
3)模型建立。将接收到的舵机控制指令Cmd通过伺服***传动比k1，形成伺服控制律输入指令，该指令经过时间常数为T的惯性环节，经与理论输出位移PF1求差后得到位移偏差指令，偏差指令经过舵机死区环节后通过舵机等效速度进行积分，并经过限幅环节后得到舵机理论输出位移，即得到了模型计算所得的舵机位置。
4)模型监控。将模型计算的舵机位置与实际测量到的舵机位置反馈进行比较，得到舵机实际输出与理论输出之间的偏差，如果该偏差小于设计门限值，则Mode_out输出为0，判舵机运动正常，否则，Mode_out输出为1，判舵机模型监控出现瞬态故障，如果连续若干时间Mode_out输出为1，判舵机模型监控出现永久故障。
以某型号课题为例，对本发明做进一步详细说明。
步骤1：模型监控起动时机确定。已知舵机等效速度是22mm/s，舵机行程是±10ms，则舵机跑完全行程耗时为0.9秒钟。因此，在飞控***上电1秒钟后模型监控功能起动。
步骤2：传动比计算。该伺服***接收飞控计算机的模拟信号作为舵机指令，模拟信号与舵机物理信号之间的传动比是每伏电压代表0.5毫米位移，因此，伺服***传动比k1＝0.5；
步骤3：舵机惯性环节计算。惯性环节中，响应在1倍惯性时间时可以达到稳定输出的0.63倍，舵机等效速度是22mm/s，因此，其1倍惯性时间时速度应为等效速度的0.63倍，即14mm/s。给舵机输入幅值为10mm的阶跃指令，通过观察电机霍尔转速折算舵机运动速度，通过实测，舵机速度达到14mm/s所需要的时间是100ms，以此确定舵机惯性时间常数为100ms，即舵机惯性环节时间常数T为0.1；
步骤4：舵机死区环节计算。在试验室环境下，手动按压和拉伸舵机输出轴，通过示波器观察舵机位置反馈变化值变化为0.03mm，则，舵机死区环节参数为0.03；
步骤5：舵机积分环节计算。舵机位移可由速度通过积分生成，给舵机输入幅值为10mm的阶跃指令，观察舵机速度是22mm/s，则，舵机积分环节参数为22；
步骤6：舵机限幅环节计算。舵机电气行程规定为±10mm，则，舵机限幅环节参数为10；
步骤7：模型监控幅值门限和故障时延确定。根据幅值门限取电气行程30％的原则，模型监控幅值门限取3mm，根据舵机速度及位移关系，为防止舵机出现极偏，故障时延取100ms。
步骤8：模型搭建。根据以上参数及模型框图，建立电动舵机数学模型，实时计算舵机任意时刻的理论位置；
步骤9：模型监控。满足模型监控起动条件后，实时将舵机理论位置与实际采集到的舵机位置进行比较，判断两者偏差是否大于幅值门限3mm，如果小于或等于3mm，判舵机模型监控正常，否则，判舵机模型监控瞬态故障，如果连续100ms发生瞬态故障，判舵机模型监控发生永久故障。
本发明的工作原理是：针对于小负载舵机在全包线工况下速度波动小的原理，计算并测量出舵机的等效速度，以该等效速度为依据，通过速度与位移之间的积分关系，同时纳入舵机的惯性、死区、限幅等非线性环节，建立电动舵机数学模型，以该模型为基础，搭建电动舵机模型监控方法，通过测量舵机的实际位置反馈与模型理论输出的差异反应舵机工作状况。
本发明经两型直升机飞控***试飞试验证明，数学模型非常逼真，能准确表征电动舵机运动特性，经模型输出与实际位置反馈比较，偏差小于0.5mm，即在5％舵机全行程内，模型置信度非常高。以该模型为基础搭建的电动舵机模型监控方法，可作为小负载电动舵机的有效辅助监控方法，为直升机安全飞行保驾护航。
Claims (8)
1.一种小负载电动舵机模型计算方法，其特征在于，包括：
将接收到的舵机控制指令通过伺服***乘以传动比k1，形成伺服控制律输入指令；
该伺服控制律输入指令经过时间常数为T的惯性环节，再与舵机理论输出位移求差后得到位移偏差指令；
位移偏差指令经过舵机死区环节后进行积分并乘以舵机等效速度得到舵机输出位移，所述舵机输出位移经过限幅环节得到新的舵机理论输出位移，此舵机理论输出位移为小负载电动舵机模型计算所得的舵机位置；
所述位移偏差指令经过舵机死区环节具体为：
判断所述位移偏差指令是否小于等于舵机死区环节参数，如果是则所述位移偏差指令替换为0输出；否则，输出所述位移偏差指令与舵机死区环节参数的差；
所述舵机输出位移经过限幅环节得到新的舵机理论输出位移具体为：判断所述舵机输出位移是否在舵机限幅环节参数范围内，如果是，则新的舵机理论输出位移为所述舵机输出位移；否则，新的舵机理论输出位移为舵机限幅环节参数。
2.如权利要求1所述的一种小负载电动舵机模型计算方法，其特征在于，所述伺服控制律输入指令经过时间常数为T的惯性环节具体为：
限定所述伺服控制律输入指令在T时间时达到稳定输出值的0.63倍。
3.如权利要求1所述的一种小负载电动舵机模型计算方法，其特征在于，还包括：
将小负载电动舵机模型计算的舵机位置与实际测量到的舵机位置反馈进行比较，得到舵机实际输出与理论输出之间的偏差，如果该偏差小于设计门限值，则Mode_out输出为0，判舵机运动正常；否则，Mode_out输出为1，判断小负载电动舵机模型监控出现瞬态故障，如果连续若干时间Mode_out输出为1，判断小负载电动舵机模型监控出现永久故障。
4.如权利要求3所述的一种小负载电动舵机模型计算方法，其特征在于，还包括：
当判断小负载电动舵机模型监控出现永久故障时，申报舵机模型监控故障。
5.如权利要求4所述的一种小负载电动舵机模型计算方法，其特征在于，
申报舵机模型监控故障的功能在飞控***上电1秒钟后起动。
6.如权利要求1所述的一种小负载电动舵机模型计算方法，其特征在于，
传动比k1＝0.5；舵机等效速度是22mm/s；时间常数T为0.1s。
7.如权利要求1所述的一种小负载电动舵机模型计算方法，其特征在于，
舵机死区环节参数为0.03mm。
8.如权利要求1所述的一种小负载电动舵机模型计算方法，其特征在于，
舵机限幅环节参数为±10mm。
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