本发明涉及飞机控制系统，尤其涉及一种适用于民用客机以及军用飞机主动侧杆的位置控制的摩擦补偿方法。
背景技术：
主动侧杆相比被动侧杆，其具有降低全寿命成本、提供安全性力反馈、功能可编程升级、不影响观察座舱显示器等优点；并且，其相比传统中置杆降低了机械复杂度以及系统重量。这种主动侧杆属于力量-位移型侧杆，与飞行控制系统构成了闭环回路，其可与飞控计算机进行实时通信。采用该主动侧杆后，当飞机处于手动飞行状态时，飞行员可通过手柄力准确地判断出其飞行状态；当飞机处于自动驾驶飞行状态时，侧杆跟随飞控指令的运动可给飞行员一个关于飞行状态的视觉提示；因此，主动侧杆可以提高飞机的操纵特性和飞行品质，主动侧杆技术已成为了全世界范围内的研究热点。由于直流有刷力矩电机的电刷和换向器之间的机械摩擦，定子的永磁体与转子导磁体间形成的磁滞阻尼，转子铁心开槽所引起的磁阻力矩，以及减速器的内部摩擦并将摩擦转矩放大至相应倍数等，这些非线性摩擦因素的存在导致了随动控制下位置跟随不精确，系统跟随性能下降，采用传统pid控制算法难以解决此现象，为提高系统的稳态跟踪精度同时兼顾动态响应过程，实现飞机主动侧杆系统的高精度控制，必须对系统进行摩擦补偿。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种飞机主动侧杆位置控制的摩擦补偿方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种适用于飞机主动侧杆系统位置控制的摩擦补偿方法，所述飞机主动侧杆系统包含监控模块和侧杆模块；
所述监控模块用于发送指令给所述侧杆模块，并控制存储和显示侧杆模块的实时状态信息；
所述侧杆模块包含主动侧杆、第一微控制单元和第二微控制单元；
所述主动侧杆包含主动侧杆手柄、杆力传感器、主动侧杆杆体、第一轴、第二轴、第一轴承和第二轴承；
所述第一轴、第二轴采用内外框的形式，第一轴为内框轴，第二轴为外框轴，第一轴能够在第二轴的上下滑槽滑动；
所述第一轴的一端与孔输出直角换向减速器的输出孔通过键连接，所述第一轴的另一端与第一轴承承载；所述第二轴的一端与轴输出直角换向减速器的输出轴通过键连接，所述第二轴的另一端与第二轴承承载；
所述主动侧杆杆体的下端与第一轴固连，上端与杆力传感器的底部固连，杆力传感器的顶部与主动侧杆手柄固连；
所述杆力传感器采用二维电阻应变片式杆力传感器，分别对应第一轴上的力和第二轴上的力；
所述手柄上设有用于切换侧杆模块的工作模式的切换开关，所述工作模式包含主动模式、随动模式、配平模式以及被动模式；
所述第一微控制单元包含第一旋转变压器、第一直角换向减速器、第一力矩电机、第一微控制器、第一pwm电机驱动模块、第一手柄力调制信号电路、第一旋转变压器信号调制电路；
所述第一旋转变压器的转子与第一力矩电机转轴连接，定子与第一力矩电机的外壳连接，输出端与第一旋转变压器信号调制电路输入端相连，用于测量第一力矩电机输出轴的转角，并将其传递给所述第一微控制器；
所述第一直角换向减速器通过法兰盘固定在主动侧杆机箱上，输出孔与第一轴的一端连接，输入孔与第一力矩电机输出轴的一端连接；
所述第一手柄力调制信号电路的输入端与杆力传感器电路电气相连；
所述第一pwm电机驱动模块输出端与所述第一力矩电机电气相连；
所述第一微控制器分别和第一手柄力调制信号电路的输出端、第一pwm电机驱动模块的输入端、第一旋转变压器信号调制电路的输出端、杆力传感器、以及监控模块电气相连，用于根据获得的杆力传感器在第一轴上的杆力输出信号、第一旋转变压器信号调制电路的转角信号输出pwm波到第一pwm电机驱动模块，控制第一力矩电机的运行，同时通过自身所带的串口功能与监控模块进行串口通信，向监控模块传送侧杆模块的状态信息；
所述第二微控制单元包含第二旋转变压器、第二直角换向减速器、第二力矩电机、第二微控制器、第二pwm电机驱动模块、第二手柄力调制信号电路、第二旋转变压器信号调制电路；
所述第二旋转变压器的转子与第二力矩电机转轴连接，定子与第二力矩电机的外壳连接，输出端与第二旋转变压器信号调制电路输入端相连，用于测量第二力矩电机输出轴的转角，并将其传递给所述第二微控制器；
所述第二直角换向减速器通过法兰盘固定在主动侧杆机箱上，输出轴与第二轴的一端连接，输入孔与第二力矩电机输出轴的一端连接；
所述第二手柄力调制信号电路的输入端与杆力传感器电路电气相连；
所述第二pwm电机驱动模块输出端与所述第二力矩电机电气相连；
所述第二微控制器分别和第二手柄力调制信号电路的输出端、第二pwm电机驱动模块的输入端、第二旋转变压器信号调制电路的输出端、杆力传感器、以及监控模块电气相连，用于根据获得的杆力传感器在第二轴上的杆力输出信号、第二旋转变压器信号调制电路的转角信号输出pwm波到第二pwm电机驱动模块，控制第二力矩电机的运行，同时通过自身所带的串口功能与监控模块进行串口通信，向监控模块传送侧杆模块的状态信息；
所述适用于飞机主动侧杆系统针对第一轴位置控制的摩擦补偿方法包含如下步骤：
步骤a.1)，建立stribeck摩擦模型，所述stribeck摩擦模型的数学表达式如下：
式中，ff为摩擦转矩；fc为库仑摩擦力矩；fs为最大静摩擦力矩；kv为粘性摩擦力矩比例系数；v为主动侧杆的转速；vs为临界stribeck速度；δ为预先设定的经验参数；
通过stribeck摩擦模型参数辨识实验得到fc、fs、kv、vs的值，确定主动侧杆转速与摩擦转矩的数学关系；
步骤a.2)，主动侧杆系统在进行位置控制时，将期望位置与实际位置的偏差送入位置环，经位置环调节后输出期望转速；
步骤a.3)，将期望转速与实际转速做差，送入速度环，经速度环调节后输出期望电流；
步骤a.4)，采集当前主动侧杆的转速，根据stribeck摩擦模型中主动侧杆的转速与摩擦转矩的数学关系，得到当前的摩擦转矩；
步骤a.5)，根据当前的摩擦转矩得到需要补偿的摩擦转矩，所述需要补偿的摩擦转矩和当前的摩擦转矩大小相同、方向相反；
将需要补偿的摩擦转矩除以第一力矩电机的转矩系数kt，得到要补偿的电流值；
步骤a.6)，将需要补偿的电流值加上期望电流后和实际电流做差，送入电流环，经电流环调节后输出第一pwm占空比信号；
步骤a.7)，第一微控制器将第一pwm占空比信号输出至第一pwm电机驱动模块，控制第一力矩电机的运行，第一力矩电机拖动第一减速器旋转，第一减速器拖动主动侧杆杆体进行位置控制。
作为本发明一种适用于飞机主动侧杆系统位置控制的摩擦补偿方法，步骤1)中所述通过stribeck摩擦模型参数辨识实验得到fc、fs、kv、vs的值的具体步骤如下：
步骤b.1)，根据第一力矩电机中电流与转矩特性，得到第一力矩电机的电流—转矩表达式为：
t＝ctφi
式中，ct表示转矩常数；φ表示每极主磁通；ctφ为定值；
步骤b.2)，固定主动侧杆手柄，使其不会运动；
步骤b.3)，给第一力矩电机施加电流信号，使其电流值从预设的第一电流阈值按照预设的电流步长增加至预设的第二电流阈值，记录每一电流值对应的主动侧杆的转矩；
步骤b.4)，重复步骤b.3)n次，得出n组数据后进行一阶线性拟合，得到第一力矩电机电流与主动侧杆转矩的曲线及关系表达式，n为大于等于1的整数；
步骤b.5)，调节第一pwm信号，使得第一力矩电机从预设的第一速度阈值按照预设的速度步长增加至预设的第二速度阈值，对于每一速度：
步骤b.5.1)，使得第一力矩电机匀速转动、并通过霍尔电流传感器采集此时第一力矩电机中的电流信号；
步骤b.5.2)，根据第一力矩电机电流与主动侧杆转矩的关系表达式，将第一力矩电机中的电流信号转换成相应的转矩，此时得到的转矩即为动摩擦转矩；
步骤b.6)，重复步骤b.5)m次，得出m组第一力矩电机转速对应的动摩擦转矩的数据，结合stribeck摩擦模型的数学表达式，进行多项式拟合，辨识出fc、fs、kv、vs的值，m为大于等于1的整数。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.算法简单，易实现，参数易调整；
2.适用于具有高精度要求和高性能指标的控制系统；
3.本发明提出了具体辨识摩擦模型的方法，通过摩擦补偿，解决了由于非线性摩擦因素导致的随动控制下位置跟随不精确的问题，使得伺服系统位置跟踪更加准确；
4.该发明不仅适用于飞机主动侧杆系统中，还可应用到防空武器随动系统、导弹导引头伺服系统等场合。
附图说明
图1是本发明中主动侧杆机械结构示意图；
图2是本发明中飞机主动侧杆任意一轴的原理示意图；
图3是本发明中标准stribeck摩擦模型曲线图；
图4是本发明中主动侧杆第一轴的位置控制结构图；
图中，1-主动侧杆手柄，2-杆力传感器，3-主动侧杆第一轴，4-主动侧杆第二轴，5-主动侧杆杆体，6-行星减速器，7-力矩电机，8-旋转变压器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明公开了一种飞机主动侧杆位置控制的摩擦补偿方法，如图1、图2所示，所述飞机主动侧杆系统包含监控模块和侧杆模块；
所述监控模块用于发送指令给所述侧杆模块，并控制存储和显示侧杆模块的实时状态信息；
所述侧杆模块包含主动侧杆、第一微控制单元和第二微控制单元；
所述主动侧杆的二自由度机械结构如图1所示，包含主动侧杆手柄、杆力传感器、主动侧杆杆体、第一轴、第二轴、第一轴承和第二轴承；
所述第一轴、第二轴采用内外框的形式，第一轴为内框轴，第二轴为外框轴，第一轴能够在第二轴的上下滑槽滑动；
所述第一轴的一端与孔输出直角换向减速器的输出孔通过键连接，所述第一轴的另一端与第一轴承承载；所述第二轴的一端与轴输出直角换向减速器的输出轴通过键连接，所述第二轴的另一端与第二轴承承载；
所述主动侧杆杆体的下端与第一轴固连，上端与杆力传感器的底部固连，杆力传感器的顶部与主动侧杆手柄固连；
所述杆力传感器采用2维电阻应变片式杆力传感器，分别对应第一轴上的力和第二轴上的力；
所述手柄上设有用于切换侧杆模块的工作模式的切换开关，所述工作模式包含主动模式、随动模式、配平模式以及被动模式；
所述第一微控制单元包含第一旋转变压器、第一直角换向减速器、第一力矩电机、第一微控制器、第一pwm电机驱动模块、第一手柄力调制信号电路、第一旋转变压器信号调制电路；
所述第一旋转变压器的转子与第一力矩电机转轴连接，定子与第一力矩电机的外壳连接，输出端与第一旋转变压器信号调制电路输入端相连，用于测量第一力矩电机输出轴的转角，并将其传递给所述第一微控制器；
所述第一直角换向减速器通过法兰盘固定在主动侧杆机箱上，输出孔与第一轴的一端连接，输入孔与第一力矩电机输出轴的一端连接；
所述第一手柄力调制信号电路的输入端与杆力传感器电路电气相连；
所述第一pwm电机驱动模块输出端与所述第一力矩电机电气相连；
所述第一微控制器分别和第一手柄力调制信号电路的输出端、第一pwm电机驱动模块的输入端、第一旋转变压器信号调制电路的输出端、杆力传感器、以及监控模块电气相连，用于根据获得的杆力传感器在第一轴上的杆力输出信号、第一旋转变压器信号调制电路的转角信号输出pwm波到第一pwm电机驱动模块，控制第一力矩电机的运行，同时通过自身所带的串口功能与监控模块进行串口通信，向监控模块传送侧杆模块的状态信息；
所述第二微控制单元包含第二旋转变压器、第二直角换向减速器、第二力矩电机、第二微控制器、第二pwm电机驱动模块、第二手柄力调制信号电路、第二旋转变压器信号调制电路；
所述第二旋转变压器的转子与第二力矩电机转轴连接，定子与第二力矩电机的外壳连接，输出端与第二旋转变压器信号调制电路输入端相连，用于测量第二力矩电机输出轴的转角，并将其传递给所述第二微控制器；
所述第二直角换向减速器通过法兰盘固定在主动侧杆机箱上，输出轴与第二轴的一端连接，输入孔与第二力矩电机输出轴的一端连接；
所述第二手柄力调制信号电路的输入端与杆力传感器电路电气相连；
所述第二pwm电机驱动模块输出端与所述第二力矩电机电气相连；
所述第二微控制器分别和第二手柄力调制信号电路的输出端、第二pwm电机驱动模块的输入端、第二旋转变压器信号调制电路的输出端、杆力传感器、以及监控模块电气相连，用于根据获得的杆力传感器在第二轴上的杆力输出信号、第二旋转变压器信号调制电路的转角信号输出pwm波到第二pwm电机驱动模块，控制第二力矩电机的运行，同时通过自身所带的串口功能与监控模块进行串口通信，向监控模块传送侧杆模块的状态信息。
以第一轴为例分析飞机主动侧杆系统，按照以下方法实现主动侧杆位置控制的摩擦补偿：
步骤a.1)，建立stribeck摩擦模型。
本发明所述的stribeck摩擦模型的数学表达式如下：
式中：ff为摩擦转矩；fc为库仑摩擦力矩；fs为最大静摩擦力矩；kv为粘性摩擦力矩比例系数；v为主动侧杆的转速；vs为临界stribeck速度；δ为预先设定的经验参数，一般取值为2。
标准stribeck摩擦模型曲线如图3所示，通过stribeck摩擦模型参数辨识实验得到fc、fs、kv、vs的值，从而确定主动侧杆转速与摩擦转矩的数学关系。
步骤a.2)，主动侧杆第一轴的位置控制结构图如图4所示，主动侧杆系统在进行位置控制时，将期望位置与实际位置的偏差送入位置环，经位置环调节后输出期望转速；
步骤a.3)，期望转速与实际转速做差，送入速度环，经速度环调节后输出期望电流；
步骤a.4)，采集当前主动侧杆的转速，根据stribeck摩擦模型中主动侧杆的转速与摩擦转矩的数学关系，得到当前的摩擦转矩。
步骤a.5)，为进行摩擦补偿，需要在主动侧杆位置控制系统中施加一个与当前摩擦转矩大小相同、方向相反的转矩，与当前摩擦力矩的作用进行抵消，从而消除摩擦力矩对电机的作用，即根据当前摩擦转矩得到需要补偿的摩擦转矩，该需要补偿的摩擦转矩和当前摩擦转矩大小相同、方向相反；
根据需要补偿的摩擦转矩以及第一力矩电机的转矩系数kt，将需要补偿的摩擦转矩除以第一力矩电机的转矩系数kt，得到要补偿的电流值。
步骤a.6)，将需要补偿的电流值加上期望电流后和实际电流做差，送入电流环，经电流环调节后输出第一pwm占空比信号；
步骤a.7)，第一微控制器将第一pwm占空比信号输出至第一pwm电机驱动模块，控制第一力矩电机的运行，第一力矩电机拖动第一减速器旋转，第一减速器拖动主动侧杆杆体进行位置控制。
stribeck摩擦模型中fc、fs、kv、vs的值通过参数辨识实验得到，具体如下：
步骤b.1)，根据第一力矩电机中电流与转矩特性，得到第一力矩电机的电流—转矩表达式为：
t＝ctφi
上式中，ct表示转矩常数；φ表示每极主磁通；ctφ为定值。由表达式可知，第一力矩电机产生的转矩与电流成正比。
步骤b.2)，固定主动侧杆手柄，使其不会运动。
步骤b.3)，给第一力矩电机施加电流信号，使其电流值从预设的第一电流阈值按照预设的电流步长增加至预设的第二电流阈值，记录每一电流值对应的主动侧杆的转矩。
步骤b.4)，重复步骤b.3)n次，得出n组数据后进行一阶线性拟合，得到第一力矩电机电流与主动侧杆转矩的曲线及关系表达式，n为大于等于1的整数。
步骤b.5)，调节第一pwm信号，使得第一力矩电机从预设的第一速度阈值按照预设的速度步长增加至预设的第二速度阈值，对于每一速度：
步骤b.5.1)，使得第一力矩电机匀速转动、并通过霍尔电流传感器采集此时第一力矩电机中的电流信号；
步骤b.5.2)，根据第一力矩电机电流与主动侧杆转矩的关系表达式，将第一力矩电机中的电流信号转换成相应的转矩，此时得到的转矩即为动摩擦转矩。
步骤b.6)，重复步骤b.5)m次，得出m组第一力矩电机转速对应的动摩擦转矩的数据，结合stribeck摩擦模型的数学表达式，进行多项式拟合，辨识出fc、fs、kv、vs的值，m为大于等于1的整数。
对于第二轴，按照相同的方法实现主动侧杆位置控制的摩擦补偿。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。