阅读说明：本技术 多点吊挂恒力联调控制方法及系统 (Multi-point hanging constant force joint adjustment control method and system ) 是由 刘仁伟 侯鹏 杨兴 谢永权 董自瑞 李志慧 徐艺星 董贤达 韩哲鑫 吴晨 于 2020-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种多点吊挂恒力联调控制方法及系统,上位机在一个监测调整周期内,计算各吊点的吊挂力与预设的目标吊挂力的偏差分布,依据偏差分布特点,选取对应的多个吊点构成联调组合吊点,在保持所述联调组合吊点的目标吊挂合力不变条件下,设置联调组合吊点中各吊点的目标吊挂力偏移补偿量,在下一个监测调整周期,上位机将各吊点补偿后的目标吊挂力发送至PLC运动控制器,使各吊挂单元控制吊绳的收放,使各吊点的吊挂力在偏差允许范围内调整到新的稳定状态。本发明实现各点吊挂恒力保持与联调控制,改善多点吊挂力偏差分布均匀性以及联调的同步性。(The invention provides a multi-point hanging constant force joint debugging control method and a system, wherein an upper computer calculates the deviation distribution of the hanging force of each hanging point and a preset target hanging force in a monitoring and adjusting period, selects a plurality of corresponding hanging points to form a joint debugging combined hanging point according to the characteristic of the deviation distribution, sets the target hanging force deviation compensation quantity of each hanging point in the joint debugging combined hanging point under the condition of keeping the target hanging resultant force of the joint debugging combined hanging point unchanged, and sends the target hanging force compensated by each hanging point to a PLC motion controller in the next monitoring and adjusting period to enable each hanging unit to control the retraction of a hanging rope, so that the hanging force of each hanging point is adjusted to a new stable state in a deviation allowable range. The invention realizes the constant force maintenance and joint debugging control of each point hanging, and improves the deviation distribution uniformity of multipoint hanging force and the synchronism of joint debugging.)

多点吊挂恒力联调控制方法及系统

技术领域

本发明涉及航天器地面试验领域，具体地，涉及一种多点吊挂恒力联调控制方法及系统。

背景技术

航天器多关节机构地面试验时需对机构重力进行卸载，模拟在轨的空间重力环境下测试机构的功能、环境适应性及可靠性。空间重力环境包括零重力、微重力环境，以及具有特定加速度值的重力环境。目前航天器地面试验时一般采用气浮法、导轨-滑轮悬吊法、主动式悬吊法等方法来实现对机构重力的卸载。

气浮法利用在气浮组件与气浮台形成气膜，产生气浮支撑力进行重力卸载，使机构产品在气浮台水平面运动时，类似于微重力环境的状态。但气浮法不能实现机构具有竖直方向运动时的重力实时卸载。

导轨-滑轮悬吊法利用滑轮上吊绳产生的拉力进行重力卸载，滑轮在顶部组合导轨上低摩擦随动，机构产品在水平面运动时，类似于微重力环境的状态。机构具有竖直方向运动时，导轨-滑轮悬吊法需增加配重以实现对机构重力的实时卸载。但导轨-滑轮悬吊法只能在二维水平面或竖直平面的机构运动中具有较好的重力卸载性能，难以满足机构在空间多维运动中的重力卸载需求。

主动式悬吊法采用伺服单元实时控制吊绳收放位移量，保持吊绳的张紧状态，使吊挂力稳定在设定的目标吊挂力偏差范围内，主动悬吊法配合二维随动单元能够实现机构在空间多维运动中的重力卸载。现有技术中已经公开发明专利申请(1)《一种主动式重力卸载装置》，申请号：CN201711207990.6，提出了一种主动式重力卸载装置的组成，以及通过PLC运动控制器、拉压力传感器、编码器、制动器、伺服电机及减速器实现悬挂力调节的方法，但该方法未涉及多点主动吊挂对多关节机构或同一物体的多个吊点进行重力卸载时，多点吊挂力同步性控制及合力保持的技术方法。类似技术中已公开的发明专利申请(2)《多关节空间机构重力卸载装置》，申请号：CN201710840028.X，提出了一种使用主动恒拉力控制单元实现重力卸载的方法，使用水平二维随动伺服平台实现机构水平面位移的跟踪，使吊绳始终处于竖直状态，从而实现多关节空间机构的重力卸载，但该方法未涉及多点吊挂力同步性控制及提升合力保持精度的问题，多关节机构运动时，由于各吊点的随动速度差异及卸载力值不同，存在多点主动恒拉力调节同步性差、偏差分布差异性大的问题，卸载过程易发生局部吊点位置重力欠卸载或过卸载的现象。

因此，多点主动吊挂对多关节机构进行重力卸载或对同一物体的多个吊点进行吊装时，在各吊挂单元吊挂力允许的偏差范围内，如何保持多点吊挂力调节控制的同步性，改善各点吊挂力偏差分布均匀性，提高吊挂合力保持精度，是航天器多关节机构地面试验中多维运动跟随时重力实时卸载需要解决的关键问题之一。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多点吊挂恒力联调控制方法及系统。

根据本发明提供的一种多点吊挂恒力联调控制系统，包括：上位机8、PLC运动控制器7和多个吊挂单元1；

所述多个吊挂单元1分别与所述PLC运动控制器7电连接；

每个吊挂单元1分别通过吊绳4连接多关节机构2的一个吊点，所述吊挂单元1能够对所述吊绳4进行收放；

所述吊绳4上设置有拉力传感器3；

其中，所述上位机8在一个监测调整周期内，计算各吊点的吊挂力与预设的目标吊挂力的偏差分布，依据偏差分布特点，选取对应的多个吊点构成联调组合吊点，在保持所述联调组合吊点的目标吊挂合力不变条件下，设置联调组合吊点中各吊点的目标吊挂力偏移补偿量，在下一个监测调整周期，上位机8将各吊点补偿后的目标吊挂力发送至PLC运动控制器7，使各吊挂单元1控制吊绳4的收放，使各吊点的吊挂力在偏差允许范围内调整到新的稳定状态。

优选地，监测调整周期的长度为PLC运动控制器7的控制周期的长度的整数倍。

优选地，根据权利要求1所述的多点吊挂恒力联调控制系统，其特征在于，在一个监测调整周期内，第i个吊点的偏差分布为该吊点吊挂力偏差值e_i(t)与时间t的关系曲线，所述监测调整周期内吊挂力偏差值的绝对值对时间的积分均值作为偏差分布的幅值E_r(i)，以吊挂力偏差值对时间的积分的正负号作为偏差分布的正负方向属性D_i。

优选地，联调组合吊点的选取和目标吊挂力偏移补偿量的设置包括：

如多个吊点中最大正负偏差幅值均在设定的合力目标偏差范围之外，选择最大正负偏差对应的2个吊点作为联调组合吊点，对选择的2个吊点的目标吊挂力实施反向偏移量补偿，正负偏移补偿量之和为零；

如多个吊点中某一个的最大正负偏差值在设定的合力目标偏差范围之外，则选择该吊点及相邻的2个吊点作为联调组合点，对选择的3个吊点的目标吊挂力偏移补偿量的按比例实施反向偏移量补偿，正负偏移补偿量之和为零；

如多个吊点中的最大正负偏差幅值均在设定的合力目标偏差范围之内，则无需对各吊点的目标吊挂力实施偏移补偿量调节。

优选地，PLC运动控制器7使各吊挂单元1同步执行恒力控制算法来控制吊绳4的收放；

所述恒力控制算法采用力外环+位置内环的策略，将拉力传感器采集的吊挂力与目标吊挂力的偏差e_i(t)作为控制外环主控变量，并将该控制外环主控变量转化为内环位移伺服控制量，PLC运动控制器按内环位移伺服控制量执行运动位移控制，实时调节吊绳收放位移，保持吊绳的张紧状态，使吊挂力稳定在设定的目标吊挂力偏差范围内。

根据本发明提供的一种多点吊挂恒力联调控制方法，采用上述的多点吊挂恒力联调控制系统，执行

所述上位机8在一个监测调整周期内，计算各吊点的吊挂力与预设的目标吊挂力的偏差分布，依据偏差分布特点，选取对应的多个吊点构成联调组合吊点，在保持所述联调组合吊点的目标吊挂合力不变条件下，设置联调组合吊点中各吊点的目标吊挂力偏移补偿量，在下一个监测调整周期，上位机8将各吊点补偿后的目标吊挂力发送至PLC运动控制器7，使各吊挂单元1控制吊绳4的收放，使各吊点的吊挂力在偏差允许范围内调整到新的稳定状态。

优选地，监测调整周期的长度为PLC运动控制器7的控制周期的长度的整数倍。

优选地，根据权利要求1所述的多点吊挂恒力联调控制系统，其特征在于，在一个监测调整周期内，第i个吊点的偏差分布为该吊点吊挂力偏差值e_i(t)与时间t的关系曲线，所述监测调整周期内吊挂力偏差值的绝对值对时间的积分均值作为偏差分布的幅值E_r(i)，以吊挂力偏差值对时间的积分的正负号作为偏差分布的正负方向属性D_i。

优选地，联调组合吊点的选取和目标吊挂力偏移补偿量的设置包括：

如多个吊点中最大正负偏差幅值均在设定的合力目标偏差范围之外，选择最大正负偏差对应的2个吊点作为联调组合吊点，对选择的2个吊点的目标吊挂力实施反向偏移量补偿，正负偏移补偿量之和为零；

如多个吊点中某一个的最大正负偏差值在设定的合力目标偏差范围之外，则选择该吊点及相邻的2个吊点作为联调组合点，对选择的3个吊点的目标吊挂力偏移补偿量的按比例实施反向偏移量补偿，正负偏移补偿量之和为零；

如多个吊点中的最大正负偏差幅值均在设定的合力目标偏差范围之内，则无需对各吊点的目标吊挂力实施偏移补偿量调节。

优选地，PLC运动控制器7使各吊挂单元1同步执行恒力控制算法来控制吊绳4的收放；

所述恒力控制算法采用力外环+位置内环的策略，将拉力传感器采集的吊挂力与目标吊挂力的偏差e_i(t)作为控制外环主控变量，并将该控制外环主控变量转化为内环位移伺服控制量，PLC运动控制器按内环位移伺服控制量执行运动位移控制，实时调节吊绳收放位移，保持吊绳的张紧状态，使吊挂力稳定在设定的目标吊挂力偏差范围内。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提出的多点吊挂恒力联调方法能够在多点目标吊挂力及吊点运动速度存在差异的情况下，实现各点吊挂恒力保持与联调控制，改善多点吊挂力偏差分布均匀性以及联调的同步性，提升吊挂合力保持精度，用于对多关节机构地面试验运动过程中进行重力实时卸载，或对同一物体的多个吊点进行恒力吊装。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一种多点吊挂恒力联调控制方法在多关节机构地面试验中进行重力卸载的应用示意图；

图2是本发明方法的多点吊挂恒力联调控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的多点吊挂恒定张力系统用于多关节机构地面试验重力卸载，该系统主要由吊挂单元1、拉力传感器3、吊绳4、滑车组件及二维导轨单元5、电缆6、PLC运动控制器7、上位机PC8组成。其中，多个吊挂单元通过滑车组件安装在上方的多组二维导轨单元上，可采用主动或被动方式跟随底部吊点在水平面内移动，使吊绳保持竖直状态。拉力传感器安装在吊绳底部接近吊点位置处，两端均与吊绳连接。吊挂单元的动力、控制、信号电缆与PLC运动控制器及电气控制柜连接，上位PC机部署多点吊挂恒力联调主程序，PLC运动控制器部署吊挂伺服运动实时控制程序，上位PC机与PLC运动控制器保持通讯连接。

本发明的多点吊挂恒力联调控制方法示意图如图2所示，实时步骤如下：

步骤一：上位机PC多点吊挂恒力联调主程序软件设置调节参数，通过指令传送至PLC运动控制器作为实时控制吊挂单元伺服组件收放吊绳的运动控制参数，包括：

(a)监测调整周期T_m设置为吊挂单元PLC运动控制周期T_c的某一整数倍M，即T_m＝T_c×M。

(b)初始设定的各点目标吊挂力F_o(i),i为设定的吊挂单元位置序号，目标吊挂力的数值由该吊挂点的重力卸载或吊装力实际需求确定。

(c)单点吊挂力允许的偏差幅值E_s,其中，吊挂单元i的吊挂力实时偏差定义为F_i(t)为吊挂力实时测量值。

(d)多点吊挂合力联调设定目标偏差幅值E_opt,其中，多点吊挂合力实时偏差定义为

(e)单点吊挂力允许偏差幅值与合力联调目标偏差幅值关系：E_opt<E_s。

步骤二：多点吊挂力数据实时采集，计算在当前一个监测周期T_m内各点吊挂力偏差分布，以该点吊挂力偏差值e_i(t)与时间t的关系曲线表示,将该周期内偏差绝对值|e_i(t)|的积分均值作为偏差分布的幅值E_r(i)，依据偏差值e_i(t)对时间的积分的正负值确定偏差分布的方向属性D_i{1-1}。

步骤三：选取多点吊挂力联调组合点及设置目标吊挂力偏移补偿量，规则如下：

(a)如多个吊挂点中最大正负偏差的幅值均在设定的合力目标偏差幅值E_opt范围之外，选择最大正负偏差对应的2个位置的吊挂点作为联调组合点，对最大正负偏差两个吊挂点的目标力实施反向偏移量ΔS补偿，正负偏移补偿量之和为零。

f(E_r(i)-E_opt)为定义的调整系数映射函数，与该点偏差幅值与合力目标偏差幅值间的差值相关。

(b)如多个吊挂点中仅一个最大正偏差值或负偏差值在设定的合力目标偏差幅值E_opt范围之外，则选择该吊挂点i及其物理位置前后相邻的2个吊挂点作为联调组合点，对3个目标吊挂力偏移补偿量的按比例实施反向偏移量ΔS补偿，正负偏移补偿量之和为零。

p为比例系数，0≤p≤1,p取值与3个组合吊挂点的偏差分布幅值及方向相关，存在定义的函数关系：

p＝g(D_i-1E_r(i-1),D_iE_r(i),D_i+1E_r(i+1)) (5)

(c)如多个吊挂点中最大正负偏差幅值均在设定的合力目标偏差幅值E_opt范围之内，则无需对各点目标吊挂力实施偏移补偿量调节。

步骤四：上位机PC多点吊挂恒力联调主程序在下一个监测调整周期将各点补偿后的目标吊挂力调整参数指令发送至PLC运动控制器，各吊挂单元同步执行恒力控制功能，通过连续多个PLC运动控制周期逐步使多点吊挂力达到新的动态平衡状态。

其中：吊挂单元恒力控制方法为，采用“力外环+位置内环”控制策略，将吊挂力的偏差e_i(t)作为控制外环主控变量，并将该变量通过函数关系转化为内环伺服运动位移调整量，PLC运动控制器按位移调整指令执行高精度伺服运动控制，实时调节吊绳收放位移，保持吊绳的张紧状态，使吊挂力稳定在设定的目标吊挂力偏差幅值范围内。

具体而言，本发明的一种多点吊挂恒定张力联调控制方法，通过采用多点吊挂对多关节机构或物体的多个吊点进行悬吊，在机构或物体运动时，安装在各吊绳上的拉力传感器实时检测各点吊挂力，在每个监测调整周期内，计算各点吊挂力与设定目标吊挂力的偏差分布，依据偏差分布特点，选取对应联调组合点，在保持多点目标吊挂合力不变条件下，设置组合点目标吊挂力偏移补偿量，在下一个监测调整周期，多点吊挂恒力联调控制主程序将各点补偿后的目标吊挂力参数发送至PLC运动控制器，使各吊挂单元同步执行恒力控制算法，控制各吊挂单元的吊绳收放位移量，调节各吊绳的张紧状态，使各点吊挂力在偏差允许范围内调整到新的稳定状态，改善多点吊挂力实测值与目标值的偏差分布，提升多点吊挂合力保持精度。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。