[发明专利]基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法

说明书

本发明公开了基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法，属于高空飞行器气压模拟领域，系统包括机电传动模块、气动模块、控制模块以及数据采集模块。其中，机电传动模块采用电机直驱方式，将伺服电机与滚珠丝杆直连，气动模块中以对称负压气缸作为压力发生器，控制模块用于控制切换不同的压力输入信号和压力开环控制器，数据采集模块通过压力传感器、位移传感器采集负压气缸被控腔压力和缸活塞位移并传输到工控机。本发明还公开了一种基于对称气缸的动态负压伺服控制方法。本发明方法可能够实现快速、准确地动态负压伺服控制，同时装置具有结构简单、易于实现的优点，尤其适用于空间飞行器气压模拟设备。

技术领域

本发明属于高空飞行器气压模拟领域，具体涉及一种基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法。

背景技术

在空间飞行器研制过程中，通过半实物仿真技术修改控制器设计、校验控制器性能，可以有效缩短研制周期、降低研制成本并提高新产品的可靠性。采用气压伺服控制技术的气压模拟设备，根据空间飞行器在飞行过程中的飞行高度和空速信号对应的气压高度和速度指令，提供相应的静压和总压信号。随着飞行器技术的快速发展，飞行高度不断提高；空间飞行器飞行过程中，与飞行高度对应的环境大气压力为低于标准大气压的负压值。

上述两个要求使得研制能够产生低负压、响应快的气压模拟设备成为一种需求。

气压控制方法可按容腔容积是否发生变化分为定容积控制和变容积控制，定容积控制方法通过对密闭容腔的充抽气即改变容腔内气体质量来实现压力的变化，多采用密闭容腔，常见的有方形密闭容腔。气动元件的最小通流面积以及充抽气的控制能力是制约定容积控制方法的关键问题。定容积控制方法容腔密封性好，易于实现连续控制，但需要单独提供正、负压力源。在极低负压下，定容积控制存在伺服阀泄漏、负压泵抽气能力不足以及管路动态特性等问题，且需要配备独立的负压和伺服阀。

变容积控制方法的压力变化是靠气缸的活塞(或膜片)的移动来实现的，已知的有采用单出杆气缸、双出杆气缸、无杆气缸和薄膜式气缸等四种结构。制约定容积控制方法的因素在于容积变化能力以及变化速度。该方法的优点是不需要提供气源，且在小范围表压力和低真空时具有良好的控制精度。其缺点在于压力大时灵敏度过高，导致难以实现稳定控制和密封，且此种方式只能够实现固定压力点控制。

发明内容

针对现有技术存在的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法，其中，结合负压气缸采用伺服电机直接驱动方式具有控制对称性好、定位精度高的特点，相应设计了基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法，并通过对跟踪方法的工序以及各部件的具体结构、布置方式进行设计，相应可有效解决现有定容积控制方式极低负压下存在泄漏、负压源抽气能力下降以及管路动态特性的问题，能够灵敏、精确地实现动态的负压伺服控制，同时，装置具有结构简单、易于实现的优点，尤其适用于空间飞行器气压模拟设备。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于对称气缸的动态负压伺服控制系统，包括机电传动模块、气动模块、控制模块以及数据采集模块，其中，

所述机电传动模块包括伺服电机和磨制滚珠丝杆，伺服电机经驱动后通过磨制滚珠丝杆将运动传递到对称负压气缸，

所述气动模块包括对称负压气缸、截止阀I、截止阀II、伺服阀、正压源以及负压源，所述气动模块的执行元件为双出杆形式的对称负压气缸，气缸运动部件采用的是电机直驱方式，通过磨制滚珠丝杆实现和伺服电机直连，在初始工作压力控制模式下，气缸两腔保持连通，具体的，负压气缸的被控腔通过截止阀I连通伺服阀，负压气缸的非被控腔通过截止阀II连通伺服阀，伺服阀同时连通正压源和负压源，

所述数据采集模块包括位移传感器、压力传感器以及多通道的数据采集卡，数据采集卡连接位移传感器和压力传感器以采集位移和压力信号，数据采集卡将采集到的压力和位移信号传输给控制模块，