驅動冗餘六自由度振動臺內力解耦控制方法

2023-09-18 11:54:50

專利名稱：：驅動冗餘六自由度振動臺內力解耦控制方法
技術領域：
：本發明涉及一種驅動冗餘結構三軸六自由度液壓振動臺內力解耦控制技術。(二)
背景技術：
：三軸六自由度液壓振動臺是一種振動環境模擬試驗裝備，作為重要的測試手段為大型裝備和儀器的研製提供振動試驗環境，可有效地縮短研製周期，節省人力和財力消耗。冗餘驅動結構三軸六自由度液壓振動臺組成如附圖l所示，包括液壓缸，伺服閥，運動平臺，上、下連接鉸鏈和相關液壓管路系統等，在液壓能源系統和控制系統的驅動與控制作用下實現六自由度正弦掃頻、六自由度隨機、六自由度衝擊波形和六自由度隨機波形復現等功能，三軸六自由度液壓振動臺共有八個液壓伺服作動器，從機構學角度是驅動冗餘系統。傳統振動臺伺服控制系統均採用六自由度控制策略控制平臺運動，由於六個自由度方程含有八個未知驅動量，所以方程組的解不唯一。這種解的不唯一性使得系統有其他的運動趨勢，振動平臺剛性約束條件下導致各伺服作動器間的內力受負載和油溫等隨機因素影響較大。因此，必須採用新的控制策略實現作動器之間的內力解耦，提高系統的性能指標。(三)
發明內容本發明的目的在於提供一種簡單可行，可以有效地削弱系統中各作動器之間的內力耦合，提高振動臺系統的加速度橫向比和加速度均勻度等指標的驅動冗餘結構三軸六自由度液壓振動臺驅動系統內力解耦方法。本發明的目的是這樣實現的它包括以下電腦程式可以實現的步驟設定自由度參考信號步驟，輸入六自由度振動臺的八個自由度加速度設定信號，送至三狀態輸入濾波器步驟；三狀態輸入濾波器步驟，將輸入的八個自由度加速度信號分解為位置、速度和加速度信號，送至比較器與三狀態反饋步驟的數據進行比較處理；自由度合成步驟，將八個液壓缸的位置、加速度和位置反饋信號經合成矩陣得到八個自由度的速度和加速度信號，送至三狀態反饋步驟；三狀態反饋步驟，將自由度合成步驟輸出的八個自由度位置、速度和加速度信號送至比較器，與三狀態輸入濾波器步驟的數據進行比較處理；自由度分解步驟，將三狀態輸入濾波器與三狀態反饋步驟比較處理得到的八個自由度的偏差信號進行分解，計算出各個液壓缸驅動數據傳給輸出步驟；輸出步驟，將自由度分解步驟計算出的缸長數據經過PID控制參數整定後，送給三軸六自由度振動臺的八個液壓缸伺服控制器，驅動液壓缸輸出。本發明還有這樣一些技術特徵-1、所述的控制的輸入端為增加兩個扭曲自由度的八個自由度位置、速度和加速度三狀態輸入信號；經過自由度分解後產生八個伺服作動器的驅動信號；八個伺服作動器輸出的位置、速度和加速度經過自由度合成，形成八個自由度的三狀態反饋信號與三狀態輸入信號比較；2、所述的兩個扭曲自由度的扭曲運動趨勢的約束方程為假設六自由度振動臺的水平向有四個作動器，分別為x!，x2,yi，y2;垂直向有四個作動器分別為z,，Z2，Z3，z4;^和X2兩個作動器上鉸點間的距離為2A，K和K兩個作動器上鉸點間的距離為2/2，六個自由度加速度分別表示為X，y，Z，ix，iy和iz，則有1=0.50^+jc2)y=0.5Cv1+>;2)Z二0.25(z！+z2+z3+z4),ix=0.25(—2！_z2+z3+z4)^=0.25(—a+z2—z3+z4)式中，A、"(/=1,2)和3(/=1，2,3,4)分別表示八個液壓作動器的加速度反饋信號；兩個扭曲運動約束方程分別定義為complexformulaseeoriginaldocumentpage5式中r,d。f—垂直向扭曲運動趨勢約束方程d。f一水平向扭曲運動趨勢約束方程3、所述的增加扭曲自由度控制的三軸六自由度振動臺自由度合成矩陣方程為complexformulaseeoriginaldocumentpage64、所述的將輸入的八個自由度加速度信號分解為位置、速度和加速度信號中自由度分解矩陣為complexformulaseeoriginaldocumentpage6自由度分解矩陣/z、/r1，其中H為各個液壓缸的偏差信號。圖6-圖7給出了三軸六自由度振動臺考慮扭曲自由度的控制示意圖。控制的輸入端為考慮兩個扭曲自由度的八個自由度位置、速度和加速度三狀態輸入信號；經過自由度分解後產生八個伺服作動器的驅動信號；八個伺服作動器輸出的位置、速度和加速度經過自由度合成，形成八個自由度的三狀態反饋信號與三狀態輸入信號比較，實現八個自由度的閉環控制其中，扭曲控制技術中的關鍵過程是定義水平及垂直扭曲運動趨勢的約束方程；*將扭曲運動約束方程與傳統的六自由度控制策略相結合，使得振動臺系統各驅動量的解唯一，達到約束扭曲運動趨勢的目的。增加扭曲自由度控制前後，六自由度振動臺系統性能指標的對比如表13所示。表13是考慮扭曲自由度控制條件下，某2mx4m三向六自由度振動臺各作動器之間的內力耦合值和系統的加速度性能指標。從表l中可以看出，空載狀態時兩種控制策略下作動器在靜態時的壓差基本相同。但在7t負載條件下，六自由度控制策略時作動器的靜態壓差要明顯高於扭曲控制策略時的壓差，系統有較大的內力耦合。採用扭曲控制策略時，空載、7t負載條件下平臺在工作零位時的作動器壓差基本不變。表明採用扭曲控制可以使各作動器之間內力不再隨負載重量、負載放置方式和油溫等量的變換而改變。從表2和3的實驗數據中可以看出，扭曲控制策略與傳統六自由度控制策略相比，由於實現了各作動器之間的內力解耦，加速度均勻度和加速度橫向分量有較大改善。表l工作零位時作動器壓差對比表complextableseeoriginaldocumentpage7表2加速度均勻度對比表complextableseeoriginaldocumentpage7表3加速度橫向比complextableseeoriginaldocumentpage8本發明採用扭曲自由度控制技術消除或減小由伺服作動器零點漂移等原因所產生的系統內力，在傳統的驅動冗餘結構三軸六自由度液壓振動臺伺服控制迴路基礎上，分別加入振動平臺的水平向扭曲運動趨勢約束方程和垂直向扭曲運動趨勢約束方程，實現對兩個冗餘扭曲自由度約束和運動控制，有效地削弱系統中各作動器之間的內力耦合，提高振動臺系統的加速度橫向比和加速度均勻度等指標。(四)圖1-圖2是六自由度振動臺組成圖3是本發明三軸六自由度振動臺控制原理圖；圖4-圖5是振動臺扭曲運動趨勢示意圖6-圖7是考慮扭曲自由度的三軸六自由度振動臺伺服控制示意圖。(五)具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的說明本實施例的技術特徵如下圖l-圖2是六自由度振動臺組成圖。水平向有四個作動器，分別為X1，X2，X3，X4;垂直向有四個作動器分別為ZpZ2，Z3，Z4。在圖i-圖2所示三軸六自由度振動臺中，A和X2兩個作動器上鉸點間的距離為2A，；n和72兩個作動器上鉸點間的距離為2/2。六個自由度加速度分別表示為Xy，Z，ix，iy和iz，則有complexformulaseeoriginaldocumentpage9式中，Xi、"(/=1，2)和3(/=1,2,3，4)分別表示八個液壓作動器的加速度反饋信號。從運動學角度分析，驅動冗餘結構三軸六自由度振動臺共有8個液壓伺服作動器，則應當具有8個運動自由度。由于振動平臺認為是剛體，則兩個扭曲自由度運動被振動平臺所約束。但是，由於水平向4個伺服作動器或4個垂直伺服作動器之間的特性參數不能夠完全一致，導致水平向4個伺服作動器或4個垂直伺服作動產生內力的耦合。內力耦合狀態如圖4和圖5所示，其中圖4是垂直向扭曲運動趨勢示意圖，顯示的是Z2、Z3有縮回運動趨勢而Z卜Z4有伸出運動趨勢時，平臺產生的一種"馬鞍"形運動趨勢，在此狀態下，由於平臺的剛性約束，使得垂直向四個液壓作動器耦合出"馬鞍"形的內力；圖5是水平向扭曲運動趨勢，顯示的是Xhy2有縮回運動趨勢而X2、"有伸出運動趨勢時，平臺產生的一種"菱形"運動趨勢，在此狀態下，由於平臺的剛性約束，使得水平向四個液壓作動器耦合出"菱形"形的內力。在傳統的三軸六自由度振動臺控制方程中，只對其中6個自由度運動進行了約束，即X、Y、Z、Rx、Ry和Rz，而沒有對兩個扭曲自由度的運動約束，當作動器組件在各種漂移等隨機幹擾因素作用下，必然會在兩個扭曲自由度上產生內力耦合。本發明在傳統的六自由度控制迴路中增設兩個扭曲運動趨勢的約束方程。兩個扭曲運動約束方程分別定義為complexformulaseeoriginaldocumentpage9(2)式中rKd。f—垂直向扭曲運動趨勢約束方禾j、王r附一舒細鵬鵬辦嫂旅別of則考慮扭曲自由度控制的三軸六自由度振動臺自由度合成方程為:Z=0.25(5+Wz4)&=0.25(-5_22+23+24)=0.25(—^+z2—z3+z4)/2x4/2x4;=0.25(z2-+z3—z4)L=0.25x,-0.25x2少2少2(3)即自由度分解矩陣為H=0.50.5000000000.50.5000000000.250.250.250.250000_0.25_0.250.250.250000-0.250.25_0.250.250.25-0.250000/2x4/2x4000A/2x40/2x4_0.250.250.25-0.250.25-0.250000(4)(5)。圖6-圖7給出了三軸六自由度振動臺考慮扭曲自由度的控制示意圖。控制的輸入端為考慮兩個扭曲自由度的八個自由度位置、速度和加速度三狀態輸入信號；經過自由度分解後產生八個伺服作動器的驅動信號；八個伺服作動器輸出的位置、速度和加速度經過自由度合成，形成八個自由度的三狀態反饋信號與三狀態輸入信號比較，實現八個自由度的閉環控制。結合圖l-5，本實施例包括以下計算機可實現的步驟設定參考信號步驟，三軸六自由度振動臺可以實現六自由度隨機、六自由度正弦掃頻、六自由度衝擊波形和六自由度隨機波形復現的功能。因此，所設定參考信號為用戶所需要復現的六自由度或少自由度的隨機譜、正弦掃頻、衝擊波或隨機波等信號。此外，由於平臺近似為剛體，因而振動過程中不會出現扭曲運動，所以，實驗過程中兩個扭曲運動方程的設定值始終保持為零；三狀態輸入濾波器步驟，根據圖3，將設定加速度參考信號轉化為位置給定信號和速度、加速度順饋信號。三狀態輸入濾波器輸出至比較器。自由度合成步驟，將八個液壓缸的位置、速度和加速度信號按照公式(3)合成為8個自由度的信號，並將輸出位姿數據給三狀態反饋步驟。其中將8個液壓缸的位置和加速度信號進行合成，得到八個自由度的位置和加速度信號；將加速度信號的積分和位置信號的微分後得到各個液壓缸的速度信號，經過合成得到八個自由度的速度信號；三狀態反饋步驟，將八自由度位置、速度和加速度信號分別送至與之對應比較器與三狀態輸入濾波器步驟的輸出相比較；自由度分解步驟運，根據比較器輸出的八個自由度位置誤差，根據公式(4)得到8個液壓缸的偏差信號，給輸出步驟；輸出步驟為比例控制器，將各個液壓缸的偏差信號進行比例調解，輸出給六自由度振動臺的液壓缸伺服控制器，完成各個液壓缸的驅動。這裡步驟為普通技術處理過程，本實施例就不詳細說明。權利要求1、一種驅動冗餘六自由度振動臺內力解耦控制方法，其特徵在於它包括以下電腦程式可以實現的步驟設定自由度參考信號步驟，輸入六自由度振動臺的八個自由度加速度設定信號，送至三狀態輸入濾波器步驟；三狀態輸入濾波器步驟，將輸入的八個自由度加速度信號分解為位置、速度和加速度信號，送至比較器與三狀態反饋步驟的數據進行比較處理；自由度合成步驟，將八個液壓缸的位置、加速度和位置反饋信號經合成矩陣得到八個自由度的速度和加速度信號，送至三狀態反饋步驟；三狀態反饋步驟，將自由度合成步驟輸出的八個自由度位置、速度和加速度信號送至比較器，與三狀態輸入濾波器步驟的數據進行比較處理；自由度分解步驟，將三狀態輸入濾波器與三狀態反饋步驟比較處理得到的八個自由度的偏差信號進行分解，計算出各個液壓缸驅動數據傳給輸出步驟；輸出步驟，將自由度分解步驟計算出的缸長數據經過PID控制參數整定後，送給三軸六自由度振動臺的八個液壓缸伺服控制器，驅動液壓缸輸出。全文摘要本發明提供了一種驅動冗餘六自由度振動臺內力解耦控制方法，採用扭曲自由度控制技術消除或減小由伺服作動器零點漂移等原因所產生的系統內力。在傳統的驅動冗餘結構三軸六自由度液壓振動臺伺服控制迴路基礎上，分別加入振動平臺的水平向扭曲運動趨勢約束方程和垂直向扭曲運動趨勢約束方程，實現對兩個冗餘扭曲自由度約束和運動控制，有效地削弱系統中各作動器之間的內力耦合，提高振動臺系統的加速度橫向比和加速度均勻度等指標。文檔編號G01M7/06GK101196429SQ20071014476公開日2008年6月11日申請日期2007年12月7日優先權日2007年12月7日發明者叢大成,何景峰,葉正茂,韓俊偉申請人:哈爾濱工業大學