CN102063122A - 一种空间六自由度运动台模态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间六自由度运动台模态控制方法。采用空间六自度液压运动台模态矩阵将强耦合物理空间系统变换至解耦后的模态空间系统，在传统空间六自由度液压运动台控制基础上，引入模态控制的概念，并利用模态变换矩阵，将强动力学耦合六自由度液压运动台解耦，并将期望物理输入信号和运动台实际输出信号变换为模态信号进行独立模态控制调节，实现空间六自由度液压运动台的驱动和控制，有效地削弱空间六自度液压运动系统中各作动器之间和自由度之间耦合影响，改善六自由度液压运动台的单自由度运动和多自由度复合运动复现等指标，提高第一阶模态接近的自由度以外的自由度频宽。

Description

一种空间六自由度运动台模态控制方法

(一)技术领域

本发明涉及机电和液压技术，具体说就是一种空间六自由度运动台模态控制方法。

(二)背景技术

空间六自由度液压运动台是一种运动环境模拟试验装备，作为重要的测试手段为大型装备和仪器的研制提供运动试验环境，可有效地缩短研制周期，节省人力和财力消耗，为航天、航空和国防大型装备及精密仪器的可靠有效性研制和特殊人员训练提供环境保障。空间六自由度液压运动台组成包括：运动平台、上连接铰、活塞杆、液压缸筒、下连接铰、基平台和相关液压管路系统。在液压能源系统和控制系统的驱动与控制作用下实现六个自由度上定点、正弦和规划轨迹等各种不同的单自由度和多自由度复合运动的复现。空间六自由度液压运动台是由六条活塞杆和液压缸筒组成的液压缸、一个运动平台和一个固定基平台构成的封闭多链式结构，该类型运动台属于一类高度非线性和强动力学耦合的机电液混合系统，工程上采用传统的铰点空间单通道控制方法，现有的国内外空间六自由度液压运动台控制理论也均是基于自由度或铰点空间来进行控制器设计，以提高系统控制性能，而这些控制技术均忽略了空间六自由度液压运动台自身的强动力学耦合特性，自由度空间或铰点空间与液压运动台模态的这种对应关系的不明确性使得现有的控制技术无法从本质上改善和提高六自由度液压运动台的控制性能。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种通过模态空间变换，对转换至广义模态解耦空间的六自度液压运动台进行独立模态控制，以提高运动系统动态和静态控制性能的空间六自由度运动台模态控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：采用空间六自度液压运动台模态矩阵将物理空间系统变换至模态空间中，构建出模态空间下的六自由度无耦合液压运动台，即将物理空间液压运动台的阀芯输入信号变换为模态阀芯输入信号，运动台输出的液压缸位移或正解后的输出位姿物理量变换为模态位移或模态位姿输出信号，通过物理空间到模态空间转换后，空间六自由度液压运动台变形为无力学耦合运动系统，这是空间六自由度液压运动台模态解耦控制技术实现的关键；

步骤二：将信号发生器输出信号通过模态矩阵变换为模态输出信号，利用信号发生器的期望模态输出信号和空间六自由度运动台的模态实际输出信号，实现空间六自由度液压运动台的模态控制；实际观测物理空间数据是通过空间六自由度液压运动系统传感器采集和正解后获得的，信号发生器用于产生各种期望跟踪信号，典型的信号为常值姿态输入、正弦姿态输入、方波姿态信号输入、三角波姿态信号输入和随机波姿态信号输入信号，运动学反解模块用于将期望物理位姿信号解算为液压缸位移信号，实现空间六自由度液压运动台的位置闭环控制；模态控制器是模态控制技术的核心模块，它将期望物理输入位移信号和空间六自由度液压运动台实际输出物理位移信号变换为模态信号进行控制，然后将输出的模态阀芯位移信号逆变换至物理空间驱动伺服阀，来实现运动台的驱动和控制；该控制模块实现物理空间到模态空间转换，使空间六自由度液压运动台转化为无力学耦合系统，然后进行驱动控制；其模态控制率可以表示为：

V_e＝k_mvU{K_pU^Te+K_I∫U^Tedt+K_d·d(U^Te)/dt}

式中k_mv为长度单位到电压单位的标定值，U为模态矩阵，K_p，K_I，K_d为增益；

正解模块用于进行对液压缸位移进行数值迭代运算，求解空间六自由度液压运动台相对控制点的广义位姿输出信号。

所述的模态控制技术中的模态矩阵选择定常矩阵，当空间六自由度液压运动台工作空间范围较小，且于设计中位附近工作时；进行大空间姿态运动时，模态阵需要进行实时更新。

本发明采用空间六自度液压运动台模态矩阵将强耦合物理空间系统变换为解耦后的模态空间系统，在传统空间六自由度液压运动台控制基础上，引入模态控制的概念，并利用模态变换矩阵，将强动力学耦合六自由度液压运动台解耦，并将期望物理输入信号和运动台实际输出信号变换为模态信号进行独立模态控制调节，实现空间六自由度液压运动台的驱动和控制，有效地削弱空间六自度液压运动系统中各作动器之间和自由度之间耦合影响，改善六自由度液压运动台的单自由度运动和多自由度复合运动复现等指标，大大提高第一阶模态接近的自由度以外的自由度频宽。

(四)附图说明

图1是六自由度运动台组成图；

图2是本发明空间六自由度运动台控制原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1，本发明一种空间六自由度运动台模态控制方法，步骤如下：

步骤一：采用空间六自度液压运动台模态矩阵将物理空间系统变换至模态空间中，构建出模态空间下的六自由度无耦合液压运动台，即将物理空间液压运动台的阀芯输入信号变换为模态阀芯输入信号，运动台输出的液压缸位移或正解后的输出位姿物理量变换为模态位移或模态位姿输出信号，通过物理空间到模态空间转换后，空间六自由度液压运动台变形为无力学耦合运动系统，这是空间六自由度液压运动台模态解耦控制技术实现的关键；

步骤二：将信号发生器输出信号通过模态矩阵变换为模态输出信号，利用信号发生器的期望模态输出信号和空间六自由度运动台的模态实际输出信号，实现空间六自由度液压运动台的模态控制；实际观测物理空间数据是通过空间六自由度液压运动系统传感器采集和正解后获得的，信号发生器用于产生各种期望跟踪信号，典型的信号为常值姿态输入、正弦姿态输入、方波姿态信号输入、三角波姿态信号输入和随机波姿态信号输入信号，运动学反解模块用于将期望物理位姿信号解算为液压缸位移信号，实现空间六自由度液压运动台的位置闭环控制；模态控制器是模态控制技术的核心模块，它将期望物理输入位移信号和空间六自由度液压运动台实际输出物理位移信号变换为模态信号进行控制，然后将输出的模态阀芯位移信号逆变换至物理空间驱动伺服阀，来实现运动台的驱动和控制；该控制模块实现物理空间到模态空间转换，使空间六自由度液压运动台转化为无力学耦合系统，然后进行驱动控制；其模态控制率可以表示为：

V_e＝k_mvU{K_pU^Te+K_I∫U^Tedt+K_d·d(U^Te)/dt}

式中k_mv为长度单位到电压单位的标定值，U为模态矩阵，K_p，K_I，K_d为增益；

正解模块用于进行对液压缸位移进行数值迭代运算，求解空间六自由度液压运动台相对控制点的广义位姿输出信号。

所述的模态控制技术中的模态矩阵选择定常矩阵，当空间六自由度液压运动台工作空间范围较小，且于设计中位附近工作时；进行大空间姿态运动时，模态阵需要进行实时更新。

实施例2：结合图1，图1是六自由度运动台组成图，图中：(1)运动平台，(2)上连接铰，(3)活塞杆，(4)液压缸筒，(5)下连接铰，(6)基平台。

液压缸总行程为0.74m，中位时液压缸长度为1.83m。运动平台期望的广义位姿为6维向量sx_des，液压缸相对中位期望位移为6维向量l_des，运动台输入的阀芯驱动电压信号为6维向量V_e，运动台实际输出液压缸位移信号为6维向量l。

空间六自由度液压运动台各液压缸之间和自由度之间存在强耦合，运动之间相互存在耦合影响。传统控制根据期望液压缸位移和反馈液压缸位移进行闭环位置控制设计，由于液压缸运动的单通道控制无法摆脱各液压缸之间的强耦合影响，这种控制方式使得系统控制参数调节受第一阶模态制约，而各驱动液压缸运动与模态之间对应关系也不明确，因此传统单通道增益调节控制无法实现各自由度控制性能最优，其性能受最低阶模态限制。通常在调解好通道一致性后，各单通道均采用相同增益，便于调节。本发明的控制方法解决了传统控制遇到的难题，将强耦合的液压缸运动通过模态矩阵解耦为无耦合模态运动。从而实现对独立的模态运动控制，以达到使各通道控制性能同时达到最优的控制调节作用。液压缸运动和模态关系明确，参数调节对控制性能影响清楚。

实施例3：结合图2，本例中信号发生器中参考输入信号包括常值位姿输入信号、正弦位姿输入信号和随机位姿输入信号。运动学反解模块根据几何学原理解析计算出相应于给定参考位姿输入信号的运动台6维液压缸位移信号l_des。模态控制器将期望物理输入位移信号l_des和空间六自由度液压运动台实际输出物理位移信号l变换为模态信号

进行控制，然后将输出的模态阀芯位移信号逆变换至物理空间驱动伺服阀，来实现运动台的驱动和控制。控制器中采用的模态矩阵为：

$U=\left[\begin{array}{cccccc}0.088& 0.571& 0.408& 0.408& 0.118& 0.565\\ 0.551& -0.171& -0.408& -0.408& -0.541& 0.200\\ 0.450& -0.362& -0.408& 0.408& 0.430& -0.385\\ -0.424& -0.392& -0.408& -0.408& 0.444& 0.369\\ -0.538& -0.209& -0.408& 0.408& -0.549& -0.180\\ -0.127& 0.563& -0.408& -0.408& 0.097& -0.569\end{array}\right]$

利用该逆模态矩阵U^-1将期望输入信号变换为模态位移信号输入，将反馈位移信号变换为模态反馈位移信号，并利用该模态矩阵将得到的期望模态阀芯驱动电压信号变换为物理阀芯驱动电压驱动伺服阀工作。

模态控制器的输入为期望液压缸位移信号和运动台实际反馈液压缸位移信号，控制器输出为伺服阀物理驱动电压信号。正解模块用于根据空间六自由度液压运动台的实际液压缸位移信号l解算其实际的空间位移信号。

该模态控制器引入了基于空间六自由度液压运动系统模态的控制思想，在这个发明的基础上，可以应用很多先进的控制算法来实现对解耦后的模态空间运动系统性能的大幅度提升，尤其是最小控制频宽的拓展。

本发明通过对变换至广义模态空间的六自度液压运动台进行独立模态控制，以提高模态空间下系统动态跟踪性能，可以有效地削弱空间六自度液压运动系统中各作动器之间和自由度之间耦合的影响，提高六自由度液压运动台的单自由度运动和多自由度复合运动复现等指标，拓展第一阶模态接近的自由度以外的自由度频宽。本发明的另一重要之处是基于本发明的模态控制技术，可以在其建立的模态空间上，应用各种先进控制器，如极点配置等方法对空间六自由度液压运动台的固有模态频率进行修改，起到提高系统最低频宽要求和补偿结构设计的不足。

Claims (2)

1.一种空间六自由度运动台模态控制方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：采用空间六自度液压运动台模态矩阵将物理空间系统变换至模态空间中，构建出模态空间下的六自由度无耦合液压运动台，即将物理空间液压运动台的阀芯输入信号变换为模态阀芯输入信号，运动台输出的支腿位移或正解后的输出位姿物理量变换为模态位移或模态位姿输出信号，通过物理空间到模态空间转换后，空间六自由度液压运动台变形为无力学耦合运动系统，这是空间六自由度液压运动台模态解耦控制技术实现的关键；

步骤二：将信号发生器输出信号通过模态矩阵变换为模态输出信号，利用信号发生器的期望模态输出信号和空间六自由度运动台的模态实际输出信号，实现空间六自由度液压运动台的模态控制；实际观测物理空间数据是通过空间六自由度液压运动系统传感器采集和正解后获得的，信号发生器用于产生各种期望跟踪信号，典型的信号为常值姿态输入、正弦姿态输入、方波姿态信号输入、三角波姿态信号输入和随机波姿态信号输入信号，运动学反解模块用于将期望物理位姿信号解算为支腿位移信号，实现空间六自由度液压运动台的位置闭环控制；模态控制器是模态控制技术的核心模块，它将期望物理输入位移信号和空间六自由度液压运动台实际输出物理位移信号变换为模态信号进行控制，然后将输出的模态阀芯位移信号逆变换至物理空间驱动伺服阀，来实现运动台的驱动和控制；该控制模块实现物理空间到模态空间转换，使空间六自由度液压运动台转化为无力学耦合系统，然后进行驱动控制；其模态控制率可以表示为：

V_e＝k_mvU{K_pU^Te+K_I∫U^Tedt+K_d·d(U^Te)/dt}

式中k_mv为长度单位到电压单位的标定值，U为模态矩阵，K_p，K_I，K_d为增益；

正解模块用于进行对液压缸支腿位移进行数值迭代运算，求解空间六自由度液压运动台相对控制点的广义位姿输出信号。

2.根据权利要求1所述的一种空间六自由度运动台模态控制方法，其特征在于：所述的模态控制技术中的模态矩阵选择定常矩阵，当空间六自由度液压运动台工作空间范围较小，且于设计中位附近工作，进行大空间姿态运动时，模态阵需要进行实时更新。

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