一種空間六自由度運動臺模態控制方法
2023-06-20 02:02:56
專利名稱：一種空間六自由度運動臺模態控制方法
技術領域：
本發明涉及機電和液壓技術，具體說就是一種空間六自由度運動臺模態控制方法。
背景技術：
空間六自由度液壓運動臺是一種運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運動試驗環境，可有效地縮短研製周期，節省人力和財力消耗， 為航天、航空和國防大型裝備及精密儀器的可靠有效性研製和特殊人員訓練提供環境保 障。空間六自由度液壓運動臺組成包括運動平臺、上連接鉸、活塞杆、液壓缸筒、下連接鉸、 基平臺和相關液壓管路系統。在液壓能源系統和控制系統的驅動與控制作用下實現六個自 由度上定點、正弦和規劃軌跡等各種不同的單自由度和多自由度複合運動的復現。空間六 自由度液壓運動臺是由六條活塞杆和液壓缸筒組成的液壓缸、一個運動平臺和一個固定基 平臺構成的封閉多鏈式結構，該類型運動臺屬於一類高度非線性和強動力學耦合的機電液 混合系統，工程上採用傳統的鉸點空間單通道控制方法，現有的國內外空間六自由度液壓 運動臺控制理論也均是基於自由度或鉸點空間來進行控制器設計，以提高系統控制性能， 而這些控制技術均忽略了空間六自由度液壓運動臺自身的強動力學耦合特性，自由度空間 或鉸點空間與液壓運動臺模態的這種對應關係的不明確性使得現有的控制技術無法從本 質上改善和提高六自由度液壓運動臺的控制性能。
發明內容
本發明的目的在於提供一種通過模態空間變換，對轉換至廣義模態解耦空間的六 自度液壓運動臺進行獨立模態控制，以提高運動系統動態和靜態控制性能的空間六自由度 運動臺模態控制方法。本發明的目的是這樣實現的步驟一採用空間六自度液壓運動臺模態矩陣將物理空間系統變換至模態空間 中，構建出模態空間下的六自由度無耦合液壓運動臺，即將物理空間液壓運動臺的閥芯輸 入信號變換為模態閥芯輸入信號，運動臺輸出的液壓缸位移或正解後的輸出位姿物理量變 換為模態位移或模態位姿輸出信號，通過物理空間到模態空間轉換後，空間六自由度液壓 運動臺變形為無力學耦合運動系統，這是空間六自由度液壓運動臺模態解耦控制技術實現 的關鍵；步驟二將信號發生器輸出信號通過模態矩陣變換為模態輸出信號，利用信號發 生器的期望模態輸出信號和空間六自由度運動臺的模態實際輸出信號，實現空間六自由度 液壓運動臺的模態控制；實際觀測物理空間數據是通過空間六自由度液壓運動系統傳感器 採集和正解後獲得的，信號發生器用於產生各種期望跟蹤信號，典型的信號為常值姿態輸 入、正弦姿態輸入、方波姿態信號輸入、三角波姿態信號輸入和隨機波姿態信號輸入信號， 運動學反解模塊用於將期望物理位姿信號解算為液壓缸位移信號，實現空間六自由度液壓運動臺的位置閉環控制；模態控制器是模態控制技術的核心模塊，它將期望物理輸入位移 信號和空間六自由度液壓運動臺實際輸出物理位移信號變換為模態信號進行控制，然後將 輸出的模態閥芯位移信號逆變換至物理空間驅動伺服閥，來實現運動臺的驅動和控制；該 控制模塊實現物理空間到模態空間轉換，使空間六自由度液壓運動臺轉化為無力學耦合系 統，然後進行驅動控制；其模態控制率可以表示為Ve = kmvU IKpUWK1 f UTedt+Kd · d(UTe)/dt}式中kmv為長度單位到電壓單位的標定值，U為模態矩陣，Kp, K1, Kd為增益；正解模塊用於進行對液壓缸位移進行數值迭代運算，求解空間六自由度液壓運動 臺相對控制點的廣義位姿輸出信號。所述的模態控制技術中的模態矩陣選擇定常矩陣，當空間六自由度液壓運動臺工 作空間範圍較小，且於設計中位附近工作時；進行大空間姿態運動時，模態陣需要進行實時 更新。本發明採用空間六自度液壓運動臺模態矩陣將強耦合物理空間系統變換為解耦 後的模態空間系統，在傳統空間六自由度液壓運動臺控制基礎上，引入模態控制的概念，並 利用模態變換矩陣，將強動力學耦合六自由度液壓運動臺解耦，並將期望物理輸入信號和 運動臺實際輸出信號變換為模態信號進行獨立模態控制調節，實現空間六自由度液壓運動 臺的驅動和控制，有效地削弱空間六自度液壓運動系統中各作動器之間和自由度之間耦合 影響，改善六自由度液壓運動臺的單自由度運動和多自由度複合運動復現等指標，大大提 高第一階模態接近的自由度以外的自由度頻寬。
圖1是六自由度運動臺組成圖；圖2是本發明空間六自由度運動臺控制原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明作進一步說明。實施例1 結合圖1，本發明一種空間六自由度運動臺模態控制方法，步驟如下步驟一採用空間六自度液壓運動臺模態矩陣將物理空間系統變換至模態空間 中，構建出模態空間下的六自由度無耦合液壓運動臺，即將物理空間液壓運動臺的閥芯輸 入信號變換為模態閥芯輸入信號，運動臺輸出的液壓缸位移或正解後的輸出位姿物理量變 換為模態位移或模態位姿輸出信號，通過物理空間到模態空間轉換後，空間六自由度液壓 運動臺變形為無力學耦合運動系統，這是空間六自由度液壓運動臺模態解耦控制技術實現 的關鍵；步驟二將信號發生器輸出信號通過模態矩陣變換為模態輸出信號，利用信號發 生器的期望模態輸出信號和空間六自由度運動臺的模態實際輸出信號，實現空間六自由度 液壓運動臺的模態控制；實際觀測物理空間數據是通過空間六自由度液壓運動系統傳感器 採集和正解後獲得的，信號發生器用於產生各種期望跟蹤信號，典型的信號為常值姿態輸 入、正弦姿態輸入、方波姿態信號輸入、三角波姿態信號輸入和隨機波姿態信號輸入信號， 運動學反解模塊用於將期望物理位姿信號解算為液壓缸位移信號，實現空間六自由度液壓運動臺的位置閉環控制；模態控制器是模態控制技術的核心模塊，它將期望物理輸入位移 信號和空間六自由度液壓運動臺實際輸出物理位移信號變換為模態信號進行控制，然後將 輸出的模態閥芯位移信號逆變換至物理空間驅動伺服閥，來實現運動臺的驅動和控制；該 控制模塊實現物理空間到模態空間轉換，使空間六自由度液壓運動臺轉化為無力學耦合系 統，然後進行驅動控制；其模態控制率可以表示為Ve = k^UlK^e+Kj f UTedt+Kd · d(UTe)/dt}式中kmv為長度單位到電壓單位的標定值，U為模態矩陣，Kp, K1, Kd為增益；正解模塊用於進行對液壓缸位移進行數值迭代運算，求解空間六自由度液壓運動 臺相對控制點的廣義位姿輸出信號。所述的模態控制技術中的模態矩陣選擇定常矩陣，當空間六自由度液壓運動臺工 作空間範圍較小，且於設計中位附近工作時；進行大空間姿態運動時，模態陣需要進行實時 更新。實施例2 結合圖1，圖1是六自由度運動臺組成圖，圖中(1)運動平臺，⑵上連 接鉸，(3)活塞杆，(4)液壓缸筒，(5)下連接鉸，(6)基平臺。液壓缸總行程為0. 74m,中位時液壓缸長度為1. 83m。運動平臺期望的廣義位姿為 6維向量SXfcs，液壓缸相對中位期望位移為6維向量ldes，運動臺輸入的閥芯驅動電壓信號 為6維向量\，運動臺實際輸出液壓缸位移信號為6維向量1。空間六自由度液壓運動臺各液壓缸之間和自由度之間存在強耦合，運動之間相互 存在耦合影響。傳統控制根據期望液壓缸位移和反饋液壓缸位移進行閉環位置控制設計， 由於液壓缸運動的單通道控制無法擺脫各液壓缸之間的強耦合影響，這種控制方式使得系 統控制參數調節受第一階模態制約，而各驅動液壓缸運動與模態之間對應關係也不明確， 因此傳統單通道增益調節控制無法實現各自由度控制性能最優，其性能受最低階模態限 制。通常在調解好通道一致性後，各單通道均採用相同增益，便於調節。本發明的控制方 法解決了傳統控制遇到的難題，將強耦合的液壓缸運動通過模態矩陣解耦為無耦合模態運 動。從而實現對獨立的模態運動控制，以達到使各通道控制性能同時達到最優的控制調節 作用。液壓缸運動和模態關係明確，參數調節對控制性能影響清楚。實施例3 結合圖2，本例中信號發生器中參考輸入信號包括常值位姿輸入信號、 正弦位姿輸入信號和隨機位姿輸入信號。運動學反解模塊根據幾何學原理解析計算出相應 於給定參考位姿輸入信號的運動臺6維液壓缸位移信號ldes。模態控制器將期望物理輸入 位移信號Ides和空間六自由度液壓運動臺實際輸出物理位移信號1變換為模態信號Ls,/進 行控制，然後將輸出的模態閥芯位移信號逆變換至物理空間驅動伺服閥，來實現運動臺的
0.565 — 0.200 -0.385 0.369 -0.180 —0.569- 利用該逆模態矩陣U—1將期望輸入信號變換為模態位移信號輸入，將反饋位移信
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驅動和控制。控制器中採用的模態矩陣為 U =
0.0880.571-0.4080.4080.1180.551-0.171-0.408-0.408-0.5410.450-0.362-0.4080.4080.430-0.424'-0.392-0.408-0.4080.444-0.538-0.209-0.4080.408-0.549-0.1270.563-0.408-0.4080.097號變換為模態反饋位移信號，並利用該模態矩陣將得到的期望模態閥芯驅動電壓信號變換 為物理閥芯驅動電壓驅動伺服閥工作。模態控制器的輸入為期望液壓缸位移信號和運動臺實際反饋液壓缸位移信號，控 制器輸出為伺服閥物理驅動電壓信號。正解模塊用於根據空間六自由度液壓運動臺的實際 液壓缸位移信號1解算其實際的空間位移信號。該模態控制器引入了基於空間六自由度液壓運動系統模態的控制思想，在這個發 明的基礎上，可以應用很多先進的控制算法來實現對解耦後的模態空間運動系統性能的大 幅度提升，尤其是最小控制頻寬的拓展。本發明通過對變換至廣義模態空間的六自度液壓運動臺進行獨立模態控制，以提 高模態空間下系統動態跟蹤性能，可以有效地削弱空間六自度液壓運動系統中各作動器之 間和自由度之間耦合的影響，提高六自由度液壓運動臺的單自由度運動和多自由度複合運 動復現等指標，拓展第一階模態接近的自由度以外的自由度頻寬。本發明的另一重要之處 是基於本發明的模態控制技術，可以在其建立的模態空間上，應用各種先進控制器，如極點 配置等方法對空間六自由度液壓運動臺的固有模態頻率進行修改，起到提高系統最低頻寬 要求和補償結構設計的不足。
權利要求
1.一種空間六自由度運動臺模態控制方法，其特徵在於步驟如下步驟一採用空間六自度液壓運動臺模態矩陣將物理空間系統變換至模態空間中，構 建出模態空間下的六自由度無耦合液壓運動臺，即將物理空間液壓運動臺的閥芯輸入信號 變換為模態閥芯輸入信號，運動臺輸出的支腿位移或正解後的輸出位姿物理量變換為模態 位移或模態位姿輸出信號，通過物理空間到模態空間轉換後，空間六自由度液壓運動臺變 形為無力學耦合運動系統，這是空間六自由度液壓運動臺模態解耦控制技術實現的關鍵；步驟二 將信號發生器輸出信號通過模態矩陣變換為模態輸出信號，利用信號發生器 的期望模態輸出信號和空間六自由度運動臺的模態實際輸出信號，實現空間六自由度液壓 運動臺的模態控制；實際觀測物理空間數據是通過空間六自由度液壓運動系統傳感器採集 和正解後獲得的，信號發生器用於產生各種期望跟蹤信號，典型的信號為常值姿態輸入、正 弦姿態輸入、方波姿態信號輸入、三角波姿態信號輸入和隨機波姿態信號輸入信號，運動學 反解模塊用於將期望物理位姿信號解算為支腿位移信號，實現空間六自由度液壓運動臺的 位置閉環控制；模態控制器是模態控制技術的核心模塊，它將期望物理輸入位移信號和空 間六自由度液壓運動臺實際輸出物理位移信號變換為模態信號進行控制，然後將輸出的模 態閥芯位移信號逆變換至物理空間驅動伺服閥，來實現運動臺的驅動和控制；該控制模塊 實現物理空間到模態空間轉換，使空間六自由度液壓運動臺轉化為無力學耦合系統，然後 進行驅動控制；其模態控制率可以表示為Ve = IimvUlKpUWK1 / UTedt+Kd · d(UTe)/dt}式中kmv為長度單位到電壓單位的標定值，U為模態矩陣，Kp, K1, Kd為增益； 正解模塊用於進行對液壓缸支腿位移進行數值迭代運算，求解空間六自由度液壓運動 臺相對控制點的廣義位姿輸出信號。
2.根據權利要求1所述的一種空間六自由度運動臺模態控制方法，其特徵在於所述 的模態控制技術中的模態矩陣選擇定常矩陣，當空間六自由度液壓運動臺工作空間範圍較 小，且於設計中位附近工作，進行大空間姿態運動時，模態陣需要進行實時更新。
全文摘要
本發明提供一種空間六自由度運動臺模態控制方法。採用空間六自度液壓運動臺模態矩陣將強耦合物理空間系統變換至解耦後的模態空間系統，在傳統空間六自由度液壓運動臺控制基礎上，引入模態控制的概念，並利用模態變換矩陣，將強動力學耦合六自由度液壓運動臺解耦，並將期望物理輸入信號和運動臺實際輸出信號變換為模態信號進行獨立模態控制調節，實現空間六自由度液壓運動臺的驅動和控制，有效地削弱空間六自度液壓運動系統中各作動器之間和自由度之間耦合影響，改善六自由度液壓運動臺的單自由度運動和多自由度複合運動復現等指標，提高第一階模態接近的自由度以外的自由度頻寬。
文檔編號G05D1/00GK102063122SQ201010537190
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月10日 優先權日2010年11月10日
發明者張輝, 楊熾夫, 鄭淑濤, 韓俊偉, 黃其濤 申請人:哈爾濱工業大學