卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法

1.本发明涉及飞行模拟相关技术领域，具体为卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法、系统、设备和可读存储介质。


背景技术：

2.卧式液压飞行运动模拟器(hhfms)是航空航天领域半实物仿真的关键设备，广泛应用于大功率、高机动性的场合。然而，同时存在于hhfms外框中的非线性摩擦力矩、不平衡重力力矩和未知惯性矩等三种不匹配的模型不确定性，给获得高精度外框位置控制效果带来了一定的困难。
3.现有技术一般通过给电机恒速回转指令，则加速度为零，可以认为惯性力矩为零，进而排除惯性力矩的影响的方式辨识摩擦力矩，但是现有技术并未考虑框架重力矩的影响，仅仅对摩擦力矩进行了辨识。因此任然难以克服非线性摩擦力矩、不平衡重力力矩和未知惯性矩等三种不匹配的模型不确定性给高精度外框位置控制带来的控制困难。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术并未考虑框架重力矩的影响，仅仅对摩擦力矩进行了辨识的问题，本公开提供了一种卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法，包括：
5.外框以零角位移为初始位置，在一定范围内做旋转运动，并选取外框正向和反向旋转到同一位置的多个不同时刻进行受力分析；
6.通过受力分析得到运动方程；
7.对运动方程进行运算，得到摩擦力矩和重力矩的表达式；
8.在不同位置进行实验即可得到对应位置处的重力矩和摩擦力矩。
9.本公开可以通过受力分析和运动方程的运算得到摩擦力矩和重力矩的表达式，从而通过实验获取外框在不同位置处的力学参数，并根据摩擦力矩和重力矩的表达式获得摩擦力矩和重力矩，从而有效地减轻了观察者负担。本公开摩擦力矩的表达式和重力矩的表达式是相互耦合的，因此充分考虑了摩擦力矩和重力矩的相互关系，提高了数学模型的准确性，降低了控制器的设计难度。
10.本公开示例性的提供了一种受力分析方法，包括：对同一位置的多个不同时刻的角位移、角速度、力的方向进行力学分析。
11.本公开示例性的提供了一种受力分析：对同一位置的两个不同时刻进行受力分析。
12.本公开示例性的提供了一种运动方程，包括：
13.[0014][0015]
式中，j(ya)是点a处的惯量值，j(yb)是点b处的惯量值，ya是点a处中框的位移，yb是点b处中框的位移，x
1a
是点a处外框的位移，x
1b
是点b处外框的位移，x
2a
是点a处外框的角速度，x
2b
是点b处外框的角速度，是点a处外框的角加速度，是点b处外框的角加速度，x
3a
是点a处外框的负载压力，x
3b
是点b处外框的负载压力，a是负载压力调整系数，f
ra
是点a处外框的摩擦力矩，f
rb
是点b处外框的摩擦力矩，f
ga
是点a处外框的重力矩，f
gb
是点b处外框的重力矩，f
ea
是点a处外框的未建模力矩，f
eb
是点b处外框的未建模力矩。
[0016]
本公开示例性的提供了一种得到重力矩的方法，为：通过向式1带入点a和点b处的如式2所示中框位移、外框位移、角速度、角加速度、负载压力数据，并将式与两式相加，以消去摩擦力矩f
ra
和f
rb
，得到任何位移下的外框位置的重力矩表达式。
[0017]
由于点a和点b是一组位移相同但方向相反的位移点，此时点a和点b的中框位移、外框位移、角速度、角加速度、负载压力关系如式2所示，因此通过将式2中的点a和点b的中框位移、外框位移、角速度、角加速度、负载压力参数带入式1，并将式1相加，即可消除摩擦力矩f
ra
和f
rb
，得到该点的重力矩表达式。而由于点a和点b是任意点的两个不同时刻的位移点，因此可以得到任何位移下的外框位置的重力矩表达式。
[0018]
本公开示例性的提供了一种得到摩擦力矩的方法，为：基于获得的重力矩表达式，带入：中的任一式，计算确定当前点的摩擦力矩。
[0019]
本公开还提供了一种卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识系统，包括输入模块、分析模块、输出模块、储存模块。其中，输入模块接收系统外信息后向分析模块输入信息，分析模块根据接收的输入信息采用上述卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法对输入信息进行分析处理后得到输出信息，输出模块接收分析模块的输出信息并向系统外输出该信息，储存模块用于储存预设需要储存的信息。
[0020]
本公开还提供了一种卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识设备，包括存储器、处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序。其中，处理器执行所述程序时实现上述卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法中的步骤。
[0021]
本公开还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。该计算机程序被处理器执行时实现上述卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法中的步骤。
[0022]
本公开至少具有以下优点之一：
[0023]
1.本公开解决了hhfms外框中非线性摩擦力矩、不平衡重力矩两种不匹配的模型不确定性问题。
[0024]
2.本公开可以得到外框在不同位置处的摩擦力矩和重力矩，有效地减轻了观察者
负担，提高了数学模型的准确性，降低了控制器的设计难度。
附图说明
[0025]
图1为一种转台框图模型图。
[0026]
图2为斜坡位置控制指令图。
[0027]
图3为重力矩辨识曲线图。
[0028]
图4为摩擦力矩辨识曲线图。
具体实施方式
[0029]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案、技术效果更加清楚明白，以下结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0030]
对于卧式三轴飞行转台，外框惯性矩是三个框架中最大的，同时存在严重的不匹配不确定性。第一个不匹配不确定性是非线性摩擦力矩，由于其难以精确建模，通常需要进行参数辨识。第二个不匹配不确定性是不平衡重力力矩，由于中间框架的不对称安装，重力力矩是不平衡的。理论上，当载荷质量和形状确定时，如果中间框架和内部框架保持不变，则施加在外部框架上的重力力矩仅与其自身的角位移有关。虽然作用在外框上的重力力矩可以通过理论推导得到近似值，但实际上，由于载荷形状未知或中框液压马达安装不对称，中框结构并非完全对称，这可能导致产生偏心重力力矩。最后一个不匹配的不确定性是外框的未知惯性矩，这也是由不同的载荷质量和形状引起的。
[0031]
采用传统的pid控制精度低，不能满足跟踪要求，因此需要采用非线性控制。为了降低跟踪的不对称性，非线性控制需要对重力矩进行补偿，就需要对重力矩进行辨识，但现有的控制方法没有对重力矩进行辨识。
[0032]
为了解决现有技术存在的问题，本公开提供的卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法，可以辨识重力矩和摩擦力矩，有效降低了跟踪的不对称性。以下结合具体实施例进行进一步阐述。
[0033]
实施例1
[0034]
以图1所示转台框图模型为基础，采用卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法进行重力矩和摩擦力矩的辨识，包括如下步骤：
[0035]
外框以零角位移为初始位置，在一定范围内做旋转运动，并选取外框正向和反向旋转到同一位置的多个不同时刻进行受力分析；对同一位置的两个不同时刻进行受力分析。其中，外框的零角位移为外框、中框、内框在不外加控制转动的情况下的初始相对位置，外框做旋转运动的范围可以是正负55
°
之间。
[0036]
通过受力分析得到运动方程。
[0037]
通过应用pi控制器，控制外框最大振幅为正负55
°
，频率为0.125hz的三角波信号执行闭环位置控制命令，如图2所示。选取图2中a和b两点，它们的角位移完全相同，角速度大小也相同，但方向相反。当角速度不为零时，摩擦力矩是奇函数，因此，点a和点b处的摩擦力矩大小相等，但方向相反。由于中间框架和内部框架是固定的，理论上，施加在外部框架上的重力力矩与其自身的角位移形成余弦关系。因此，点a和点b的重力矩相同。其次，由于
恒定的外框角速度，可以认为加速度为零，当忽略未建模干扰时，上述受力分析可以通过式1和式2进行表示。
[0038][0039][0040]
式中，j(ya)是点a处的惯量值，j(yb)是点b处的惯量值，ya是点a处中框的位移，yb是点b处中框的位移，x
1a
是点a处外框的位移，x
1b
是点b处外框的位移，x
2a
是点a处外框的角速度，x
2b
是点b处外框的角速度，是点a处外框的角加速度，是点b处外框的角加速度，x
3a
是点a处外框的负载压力，x
3b
是点b处外框的负载压力，a是负载压力调整系数，f
ra
是点a处外框的摩擦力矩，f
rb
是点b处外框的摩擦力矩，f
ga
是点a处外框的重力矩，f
gb
是点b处外框的重力矩，f
ea
是点a处外框的未建模力矩，f
eb
是点b处外框的未建模力矩。
[0041]
对运动方程进行运算，得到摩擦力矩和重力矩的表达式。
[0042]
通过向式1带入点a和点b处的如式2所示中框位移、外框位移、角速度、角加速度、负载压力数据，并将式与两式相加，以消去摩擦力矩f
ra
和f
rb
，得到任何位移下的外框位置的重力矩表达式。
[0043]
由于点a和点b是一组位移相同但方向相反的位移点，此时点a和点b的中框位移、外框位移、角速度、角加速度、负载压力关系如式2所示，因此通过将式2中的点a和点b的中框位移、外框位移、角速度、角加速度、负载压力参数带入式1，并将式1相加，即可消除摩擦力矩f
ra
和f
rb
，得到重力矩表达式。而由于点a和点b是任意点的两个不同时刻的位移点，因此可以得到任何位移下的外框位置的重力矩表达式。如图3所示，图中“*”表示实验测得的数据，图中实线表示拟合的曲线y＝-[gl1cos(θ) gl2sin(θ)]，式中，g＝850，l1＝0.73，l2＝0.58。
[0044]
基于获得的重力矩表达式，带入：中的任一式中即可得到当前点的摩擦力矩表达式。
[0045]
在获得重力扭矩的表达式后，参考方程2的后两个等式可以确定摩擦扭矩表达式。采用pi控制器，实现了频率为0.25hz的三角波信号的一系列闭环位置控制指令。这些指令信号的幅值范围为1
°
到60
°
，这意味着每个幅值代表一个角速度。当步长在10
°
和60
°
之间时，变化步长为5
°
，当步长小于10
°
时，变化步长为1
°
。由于重力力矩在任何角位移下都是已知的，因此将获得每个角速度下的摩擦力矩，如图4所示。其中，“*”表示实验测得的数据，实线表示拟合的曲线y＝l1[tanh(c1w)-tanh(c2w)] l2tanh(c2w) l3w，式中l1＝130，l2＝230，l3＝110，c1＝18，c2＝7，c3＝70。
[0046]
在不同位置进行实验即可得到对应位置处的重力矩和摩擦力矩。
[0047]
在获取了重力矩表达式和摩擦力矩表达式后，对外框处于其他不同位置，获得此时的中框位移、外框位移、角速度、角加速度、负载压力参数，例如：负载压力可以通过压力传感器测量，中框位移、外框位移由液压马达的转动参数获得。将上述可测量参数带入获取的重力矩表达式和摩擦力矩表达式中，即可确定该位置处的重力矩和摩擦力矩。
[0048]
可见，本公开解决了hhfms外框中非线性摩擦力矩、不平衡重力矩两种不匹配的模型不确定性，通过实验，可以得到外框在不同位置处的摩擦力矩和重力矩，有效地减轻了观察者负担，提高了数学模型的准确性，降低了控制器的设计难度。
[0049]
实施例2
[0050]
一种卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识系统，包括输入模块、分析模块、输出模块、储存模块。其中，输入模块接收系统外信息后向分析模块输入信息。以图1所示转台框图模型为基础，输入信息包括实施例1中的实验测得的数据以及pi控制器、压力传感器、液压马达的位移等参数。
[0051]
分析模块根据接收的输入信息采用实施例1的卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法对输入信息进行分析处理后得到输出信息，输出模块接收分析模块的输出信息并向系统外输出该信息。该输出信息根据需要可以是图1所示转台框图模型，目标位置处的摩擦力矩和重力矩。储存模块用于储存预设需要储存的信息。
[0052]
实施例3
[0053]
一种卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识设备，包括存储器、处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序。以图1所示转台框图模型为基础，处理器执行所述程序时实现实施例1卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法中的步骤。
[0054]
实施例4
[0055]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。以图1所示转台框图模型为基础，该计算机程序被处理器执行时实现上述卧式三轴液压飞行转台外框重力矩和摩擦力矩的辨识方法中的步骤。
[0056]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。