专利名称：大跨度悬臂桁架的提升及振动运动控制方法
技术领域：
本发明属于机械技术领域，更进一步涉及机械运动控制领域中的一种大跨度悬臂桁架的提升及振动运动控制方法。本发明可实现对大跨度悬臂桁架由自垂状态大幅度提升至指定高度，再发生小幅度振动的平稳运动控制，以模拟大飞机飞行中机翼大挠度弯曲变形以及附带的微幅振动。
背景技术：
飞机飞行过程中，机翼会经过提升和振动两个过程。如果对大跨度机翼进行飞行环境试验，需要一种真实可行的试验平台。大跨度悬臂桁架提升及振动运动控制方法的设计和实现，可以对机翼飞行环境进行有效仿真并对其内部安装的液压管路的安全性进行合理试验评估。
大跨度悬臂桁架有两种运动控制方法第一种是提升运动控制，如采用匀速提升的方法，即控制函数为线性函数，该方法的优点在于整个提升过程中速度恒定，易于控制。但这种方法的缺点在于其提升的初始时刻，速度与提升拉力均由零突变至某一定值，尤其是提升拉力突变值较大时，会引起系统的过冲击；第二种是振动控制，若给悬臂桁架直接加载一定振幅和频率的简谐激励同样会对系统造成冲击，若采用由小振幅、低频率向较大振幅、较高频率过渡的方法，逐步实现所需的简谐激励，则指令函数分段较多，运动控制实现难度较大，且小振幅、低频率运动与大振幅、高频率运动之间的平滑衔接控制很难实现。中国机械工业建设总公司在其申请的专利“建筑物桁架整体提升方法及其设备，，(申请号200410070075. 3，申请日2004.08. 11，公开号CN1609363A)公开了一种建筑物桁架整体提升方法及其设备。该专利申请说明书文件中在描述提升桁架时，涉及到一种提升方法，在提升初始时刻，用户给主控计算机输入一个初始提升速度，主控计算机通过控制液压系统开始提升桁架，在提升过程中，各个提升点根据与主提升点的距离差来调节提升速度。该专利申请提供的提升方法存在的不足是在提升初始和停止时刻，提升速度与提升拉力可能产生突变，引起桁架振动，结构可能会有冲击。范文豹在其申请的专利“一种振动机械的激振方法”(申请号201010171035. 3，申请日2010. 05. 13，申请公开号CN101844131A)申请公开一种振动机械的激振方法。该专利申请说明书文件中在描述振动机械的激振方法时，涉及到一种产生振动的方法将振动机械分成η部分，各部分之间用曲轴连接起来,通过曲轴的高速旋转,使各部分产生相位角相差360° /n的振动，振动的频率由转速决定，振动的振幅由曲轴的偏心距决定。该专利申请公开的振动方法存在的不足是在振动过程中振动的幅值、速度和加速度难以控制，振动不平稳，在振动初始时刻和停止时刻可能会产生振动速度和加速度的突变，引起结构冲击。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种大跨度悬臂桁架的提升和振动运动控制方法。
为实现上述目的，本发明的具体思路是液压驱动系统通过控制大液压缸提升悬臂桁架，通过控制小液压缸给悬臂桁架加载振动；采用缓起缓停的提升方法，确保大液压缸在提升悬臂桁架的过程中运动曲线连续光滑，结构无过冲击；采用缓起缓停的振动方法，避免小液压缸在给悬臂桁架加载振动的过程中速度和加速度突变，造成悬臂桁架结构损伤。本发明的具体实现步骤如下(I)选择悬臂桁架振动或提升用户根据控制需求选择悬臂桁架的振动或提升控制方法，并设置液压驱动系统的初始状态Ia)选择悬臂桁架的振动运动用户在上位PC机的操控界面列出的振动参数设置对话框中输入悬臂桁架的振动幅值、频率和振动时间参数后,执行步骤4a)；
lb)选择悬臂桁架的提升运动用户在上位PC机的操控界面列出的提升参数设置对话框中输入悬臂桁架的提升高度和提升时间参数后，执行步骤(2)。(2)提升悬臂桁架根据Ib)中设置的参数，液压驱动系统控制大液压缸采用缓起缓停提升方法在Ib)中设定的时间内提升悬臂桁架到指定高度。(3)判断悬臂桁架是否加载振动当悬臂桁架提升到步骤Ib)中设定的提升高度停止后，判断悬臂桁架是否需要再进行加载振动。若需要加载振动，用户在上位PC机的操控界面列出的振动参数设置对话框中输入悬臂桁架的高度、振动幅值、频率和振动时间参数后，执行步骤4b)，否则，执行步骤
(5)。⑷加载振动4a)根据步骤Ia)中设定的振动参数，液压驱动系统控制小液压缸采用缓起缓停振动方法给悬臂桁架加载振动；4b)根据步骤(3)中设定的振动参数，液压驱动系统控制小液压缸采用缓起缓停振动方法给悬臂桁架加载振动。(5)结束液压驱动系统控制悬臂桁架回到初始位置。本发明与现有技术相比具有如下优点第一，由于本发明采用缓起缓停提升方法来控制大液压缸提升悬臂桁架，悬臂桁架从最低位置到最高位置的过程中，其位移，速度和加速度的变化曲线都连续，且速度与加速度均以零开始，以零结束，克服了现有技术在实现悬臂桁架提升过程中速度与提升拉力产生突变，结构可能会产生过冲击的缺点，使得本发明具有控制过程安全、仿真效果接近真实情况的优点。第二，由于本发明采用缓起缓停振动方法来控制小液压缸给悬臂桁架加载振动，使得悬臂桁架从振动开始到振动结束，速度与加速度的变化曲线均由零缓慢增大至某定值后再缓慢降至零，对激励起、停进行了平滑过渡，结构无冲击，解决了现有技术给悬臂桁架加载振动时产生结构冲击、振动控制难以实现的缺点，使得本发明具有控制方法简单、仿真效果接近真实情况的优点。
图I为本发明的流程图；图2为本发明在提升过程中的位移、速度和加速度曲线仿真示意图；图3为本发明在初始位置振动的位移、速度和加速度曲线仿真示意图；图4为本发明在提升到指定高度后再振动的位移、速度和加速度曲线仿真示意图。
具体实施例方式本发明是通过控制大跨度悬臂桁架的提升和振动系统实现，该系统主要由上位PC机和液压驱动系统组成，液压驱动系统由一个大液压缸串联一个小液压缸和相应的控制装 置组成。悬臂桁架的一端被固定在一个底座桁架上，悬臂桁架的另一端安装在小液压缸的活塞杆端部，小液压缸活塞杆另一端串联在一个大液压缸活塞杆的端部，大液压缸被垂直倒挂在一个门式祐1架上。本发明中悬臂桁架有三种控制方法在初始位置给悬臂桁架加载振动、将悬臂桁架提升到指定高度、将悬臂桁架提升到指定高度后给其加载振动。若先在初始位置给悬臂桁架加载振动，则选择悬臂桁架的振动控制方法；若将悬臂桁架提升到指定高度，则选择悬臂桁架的提升控制方法；若将悬臂桁架提升到指定高度后给其加载振动，则先选择悬臂桁架的提升控制方法，待悬臂桁架到指定高度后，再选择悬臂桁架的振动控制方法给其加载振动。在液压驱动系统开始控制悬臂桁架运动时，必须先选择悬臂桁架的控制方法，并设置与之对应的液压驱动系统的初始状态。下面结合附图1，对本发明做进一步的详细描述。步骤I，选择悬臂桁架振动或提升选择悬臂桁架的振动控制方法，在上位PC机的操控界面列出的振动参数设置对话框中输入悬臂桁架的振动幅值、频率和振动时间参数，对话框中会有每个参数的说明及范围限定，用户可根据参数要求输入合适的参数，点击上位PC机的启动振动按钮，控制液压系统开始给悬臂桁架加载振动。选择悬臂桁架的提升控制方法，在上位PC机的操控界面列出的提升参数设置对话框中输入悬臂桁架的提升高度和提升时间参数，对话框中会有每个参数的说明及范围限定，用户可根据参数要求输入合适的参数，点击上位PC机的启动提升按钮，控制液压系统开始提升悬臂桁架。步骤2，提升悬臂桁架液压驱动系统控制大液压缸提升悬臂桁架的过程中，为防止悬臂桁架在提升初始时刻和提升停止时刻产生结构过冲击，必须采用一种缓起缓停的控制方法提升悬臂桁架。该方法应满足的边界条件首先，悬臂桁架提升缓起时刻的位移、速度和加速度的初始边界条件都为零；其次，悬臂桁架提升缓停时刻的位移边界条件为提升的指定高度，悬臂桁架提升缓停时刻的速度和加速度边界条件都为零；即得如下表达式s(0) = O, s' (O) = O, s" (O) = O, s (tf) = Smax, s' (tf) = O, s" (tf) = 0其中，s(0)表示悬臂桁架缓起时刻的提升位移，s' (O)表示悬臂桁架缓起时刻的提升速度，s" (O)表示悬臂桁架缓起时刻的提升加速度，s(tf)表示悬臂桁架缓停时刻的提升位移，tf表示用户在上位PC机中输入的提升时间，Smax表示用户在上位PC机中输入的提升高度，S' (tf)表示悬臂桁架在缓停时刻的提升速度，S" (tf)表示悬臂桁架在缓停时刻的提升加速度。根据上述边界条件，可以唯一确定一个下述五次位移方程s(t)=6t5 SJtf5 -15t4SmaJtf4+1 Ot3 SmwZtf3其中，s(t)表示悬臂桁架在t时刻的提升高度，t表示悬臂桁架的运动时间，Smax表示用户在上位PC机中输入的提升高度，tf表示用户在上位PC机中输入的提升时间；其次，对上述位移方程求一阶导数得到下述悬臂桁架的速度方程s(t) =30t4SmJtf -60t3 SmcJtf4+30t2 SmaJtf其中，s' (t)表示悬臂桁架在t时刻的提升速度，t表示悬臂桁架的运动时间，Smax表示用户在上位PC机中输入的提升高度，tf表示用户在上位PC机中输入的提升时间；最后，对上述速度方程求一阶导数得到下述悬臂桁架的加速度方程s\t) =120t3 SmJtf -18012SmaJtf4+60tSma/tf其中，s" (t)表示悬臂桁架在t时刻的提升加速度，t表示悬臂桁架的运动时间，Sfflax表示用户在上位PC机中输入的提升高度，tf表示用户在上位PC机中输入的提升时间；经过上述位移方程、速度方程和加速度方程，可以得到悬臂桁架的实时提升位移、实时提升速度和实时提升加速度。液压驱动系统将得到的实时提升速度经过数字/模拟转换器转换成电压值，电压值控制比例调速阀的开口大小，比例调速阀的开口大小控制大液压缸中液压油的流量。比例调速阀在缓起时刻阀门是关闭的，随着实时提升速度的缓慢增力口，经数字/模拟转换器转换得到的电压值缓慢增加，阀门缓慢打开，流量逐渐增大。该流量控制大液压缸以逐渐增大的实时提升速度和实时提升加速度提升悬臂桁架；提升一段时间后，实时提升速度开始缓慢减小，经数字/模拟转换器转换得到的电压值缓慢减小，阀门缓慢关闭，流量逐渐减小。大液压缸以逐渐减小的实时提升速度和提升加速度提升悬臂桁架，当悬臂桁架到达指定高度后，大液压缸的提升速度和提升加速度降至零。该控制过程可以确保大液压缸将悬臂桁架从最低位置提升到最高位置的过程中，位移，速度和加速度的变化曲线都连续，且速度与加速度均从零开始，以零结束，结构无冲击。步骤3，判断悬臂桁架是否加载振动当悬臂桁架提升到用户在上位PC机中输入的指定高度停止后，判断悬臂桁架是否需要再进行加载振动。若需要加载振动，用户在上位PC机的操控界面列出的振动参数设置对话框中输入悬臂桁架的高度、振动幅值、频率和振动时间参数后，点击上位PC机的启动振动按钮，控制液压系统开始给悬臂桁架加载振动。否则，点击上位PC机的回零按钮，液压驱动系统控制悬臂桁架回到初始位置。 步骤4,加载振动液压驱动系统控制小液压缸给悬臂桁架加载振动的过程中，为防止悬臂桁架在振动初始时刻和振动停止时刻因产生结构冲击而损伤结构，因此，必须采用一种缓起缓停的控制方法给悬臂桁架加载振动。该方法应满足的边界条件首先，悬臂桁架振动缓起时刻的位移初始边界条件为悬臂桁架所在的高度，速度和加速度的初始边界条件都为零；其次，悬臂桁架振动缓停时刻的位移停止边界条件为悬臂桁架缓起时刻所在的高度，速度和加速度的停止边界条件都为零；首先，根据上述要求，采用下述位移方程规划悬臂桁架的振动轨迹冲)=+Ae^ °mt tf 久))sin(27T fit-tf ))其中，s(t)表示悬臂桁架在t时刻的振动位移值，t表示悬臂桁架运动时间，Stl表示用户在上位PC机中输入的提升高度，A表示振动幅值，T0表示振动总时间，tf表示将悬臂桁架提升到Stl高度所用的时间，f表示振动频率，若在提升前直接给悬臂桁架加载振动，则tf等于零，S0等于零；其次，对上述位移方程分别进行一阶和二阶求导，得到悬臂桁架的实时振动速度和加速度；液压驱动系统将得到的实时振动速度经过数字/模拟转换器转换成电压，该电压经过功率放大电路转换成电流。该电流的极性控制伺服阀阀门的开口方向，电流值大小控 制伺服阀阀门的开口大小。伺服阀阀门的开口方向控制小液压缸给悬臂桁架加载振动的方向，伺服阀阀门的开口大小控制小液压缸中液压油的流量。伺服阀在缓起时刻阀门是关闭的，随着实时振动速度的缓慢增加，经数字/模拟转换器和功率放大电路得到的电流值缓慢增加，阀门缓慢打开，流量逐渐增大。该流量控制小液压缸以逐渐增大的实时振动速度和实时振动加速度给悬臂桁架加载振动；振动一段时间后，实时振动速度开始缓慢减小，经数字/模拟转换器和功率放大电路得到的电流值缓慢减小，阀门缓慢关闭，流量逐渐减小。小液压缸以逐渐减小的实时振动速度和实时振动加速度给悬臂桁架加载振动，当悬臂桁架振动停止时，小液压缸给悬臂桁架加载的振动速度和振动加速度降至零。该控制过程可以确保小液压缸控制悬臂桁架从振动初始到振动结束，悬臂桁架振动的位移、速度与加速度的变化曲线均由零缓慢增大，执行到规定时间时再缓慢降至零，对激励起、停进行了平滑过渡，结构无冲击。步骤5,结束点击上位PC机的回零按钮，液压驱动系统控制悬臂桁架回到初始位置。下面结合仿真图对本发明的效果做进一步的详细描述。图2为本发明在Matlab仿真软件中的提升运动曲线图，其中，图2(a)表示悬臂桁架的位移曲线图，大液压缸按照图中所示位移轨迹提升悬臂桁架，图中横坐标代表时间，单位是秒，纵坐标代表位移，单位是毫米；图2(b)为悬臂桁架的速度曲线图，大液压缸按照图中所示速度轨迹控制实时提升速度，图中横坐标代表时间，单位是秒，纵坐标代表速度，单位是毫米/秒；图2(c)为悬臂桁架的加速度曲线图，大液压缸按照图中所示加速度轨迹控制实时提升加速度，图中横坐标代表时间，单位是秒，纵坐标代表加速度，单位是毫米/平方秒。大液压缸按照缓起缓停提升方法将悬臂桁架提升到1032mm高度，提升时间为120s。从图2 (a)、图2 (b)和图2 (c)所示的曲线中可以看出，悬臂桁架从最低位置到最高位置的过程中，其位移，速度和加速度的变化曲线都连续，且速度与加速度均从零开始，至零结束，表示整个提升过程是缓起缓停的。图3为本发明在Matlab仿真软件中的振动运动曲线图，其中，图3(a)表示悬臂桁架的位移曲线图，小液压缸按照图中所示位移轨迹给悬臂桁架加载振动，图中横坐标代表时间，单位是秒，纵坐标代表位移，单位是毫米；图3 (b)为悬臂桁架的速度曲线图，小液压缸按照图中所示速度轨迹控制实时振动速度，图中横坐标代表时间，单位是秒，纵坐标代表速度，单位是毫米/秒；图3(()为悬臂桁架的加速度曲线图，小液压缸按照图中所示加速度轨迹控制实时振动加速度，图中横坐标代表时间，单位是秒，纵坐标代表加速度，单位是毫米/平方秒。小液压缸按照缓起缓停振动方法在初始位置给悬臂桁架加载振动，振动幅值为10mm，振动频率为I. 5Hz，振动总时间为20s。从图3 (a)、图3(b)和图3(c)所示的曲线中可以看出，悬臂桁架从振动开始到振动结束，速度与加速度的变化曲线均由零缓慢增大至某定值后再缓慢降至零，表示整个振动过程是缓起缓停的。图4为本发明在Matlab仿真软件中的振动运动曲线图，其中，图4(a)表示悬臂桁架的位移曲线图，小液压缸按照图中所示位移轨迹给悬臂桁架加载振动，图中横坐标代表时间，单位是秒，纵坐标代表位移，单位是毫米；图4(b)为悬臂桁架的速度曲线图，小液压缸按照图中所示速度轨迹控制实时振动速度，图中横坐标代表时间，单位是秒，纵坐标代表速度，单位是毫米/秒；图4(()为悬臂桁架的加速度曲线图，小液压缸按照图中所示加速度轨迹控制实时振动加速度，图中横坐标代表时间，单位是秒，纵坐标代表加速度，单位是毫米/平方秒。大液压缸用120s的时间将悬臂桁架提升到1032mm高度后，小液压缸按照缓 起缓停振动方法给悬臂桁架施加振动，振动幅值为10mm，振动频率为I. 5Hz，振动总时间为20s。从图4(a)、图4(b)和图4(c)所示的曲线中可以看出，悬臂桁架从振动开始到振动结束，速度与加速度的变化曲线均由零缓慢增大至某定值后再缓慢降至零，表示整个振动过程是缓起缓停的。
权利要求
1.大跨度悬臂桁架的提升及振动运动控制方法，具体实现步骤如下 (1)选择悬臂桁架振动或提升 用户根据控制需求选择悬臂桁架的振动或提升控制方法，并设置液压驱动系统的初始状态 Ia)选择悬臂桁架的振动运动用户在上位PC机的操控界面列出的振动参数设置对话框中输入悬臂桁架的振动幅值、频率和振动时间参数后，执行步骤4a)； lb)选择悬臂桁架的提升运动用户在上位PC机的操控界面列出的提升参数设置对话框中输入悬臂桁架的提升高度和提升时间参数后，执行步骤(2); (2)提升悬臂桁架 根据Ib)中设置的参数，液压驱动系统控制大液压缸采用缓起缓停提升方法，在Ib)中设定的时间内提升悬臂桁架到指定高度； (3)判断悬臂桁架是否加载振动 当悬臂桁架提升到步骤Ib)中设定的提升高度停止后，判断悬臂桁架是否需要再进行加载振动，若需要加载振动，用户在上位PC机的操控界面列出的振动参数设置对话框中输入悬臂桁架的高度、振动幅值、频率和振动时间参数后，执行步骤4b)，否则，执行步骤(5)； (4)加载振动 4a)根据步骤la)中设定的振动参数，液压驱动系统控制小液压缸采用缓起缓停振动方法给悬臂祐1架加载振动； 4b)根据步骤(3)中设定的振动参数，液压驱动系统控制小液压缸采用缓起缓停振动方法给悬臂桁架加载振动； (5)结束 液压驱动系统控制悬臂桁架回到初始位置。
2.根据权利要求I所述的大跨度悬臂桁架的提升及振动运动控制方法，其特征在于步骤(2)中所述的缓起缓停提升方法如下 第一步，确定悬臂桁架缓起缓停的边界条件首先，将悬臂桁架提升缓起时刻的位移、速度和加速度的初始边界条件设定为零；其次，将步骤Ia)中输入的提升高度设定为悬臂桁架提升缓停时刻的位移边界条件，将悬臂桁架提升缓停时刻的速度和加速度边界条件设定为零； 第二步，规划液压驱动系统提升悬臂桁架的轨迹，导出悬臂桁架的速度和加速度 首先，采用下述位移方程得到悬臂桁架的实时提升位移 s(t)=6t5SmaJtf-ISt4SmaJtf IOt SmaJtf 其中，S(t)表示悬臂桁架在t时刻的提升高度，t表示悬臂桁架的运动时间，Smax表示步骤Ia)中设定的悬臂桁架的提升高度，tf表示步骤Ia)中设定的悬臂桁架的提升时间；其次，采用下述速度方程得到悬臂桁架的实时提升速度s (t) =3Ot SmaxZtf -60t SmaxZtf +30t SmaxZif 其中，S' (t)表示悬臂桁架在t时刻的实时提升速度，t表示悬臂桁架的运动时间，Smax表示步骤Ia)中设定的悬臂桁架的提升高度，~表示步骤Ia)中设定的悬臂桁架的提升时间；最后，采用下述加速度方程得到悬臂桁架的实时提升加速度
3.根据权利要求I所述的大跨度悬臂桁架的提升及振动运动控制方法，其特征在于步骤(4)中所述的缓起缓停振动方法如下 第一步，确定悬臂桁架缓起缓停的边界条件 将悬臂桁架振动缓起时刻的位移初始边界条件设定为悬臂桁架所在的高度，速度和加速度的初始边界条件都为零；将悬臂桁架振动缓停时刻的位移停止边界条件设定为悬臂桁架缓起时刻所在的高度，速度和加速度的停止边界条件都为零； 第二步，规划液压驱动系统给悬臂桁架加载振动的轨迹，设定悬臂桁架振动速度和振动加速度 首先，采用下述位移方程设定悬臂桁架的实时振动位移
全文摘要
本发明公开一种大跨度悬臂桁架的提升及振动运动控制方法，本发明对悬臂桁架控制方法有三种在初始位置给悬臂桁架加载振动、将悬臂桁架提升到指定高度、将悬臂桁架提升到指定高度后给其加载振动。本发明采用缓起缓停提升方法控制大液压缸提升悬臂桁架以及采用缓起缓停振动方法控制小液压缸给悬臂桁架加载振动。本发明克服了现有技术在实现悬臂桁架提升和振动过程中速度与加速度产生突变，结构可能会产生过冲击的缺点，由此使得本发明具有了控制过程安全，控制方法简单的优点。
文档编号G05B19/04GK102890464SQ20121039273
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者仇原鹰, 王龙, 段学超, 米建伟, 潘勇, 盛英, 赵泽 申请人:西安电子科技大学