CN108427290B - 一种液压机滑块平行运动控制系统及控制方法 - Google Patents

一种液压机滑块平行运动控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液压机滑块平行运动控制系统及控制方法，主要包括主缸，用于提供推力从而驱动滑块；位移传感器，用于检测滑块位移；调速模块，用于控制主缸运动；控制器，用于采集位移传感器信号、执行控制算法并将控制指令信号传给调速模块中的控制元件。本发明采用空间坐标转换技术，直接针对液压机滑块的位移与偏转角姿态同时进行平移运动控制与主动调平控制，适用于主缸数量冗余的液压机滑块平行控制。

Description

一种液压机滑块平行运动控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种液压机滑块平行运动控制系统及控制方法，特别是涉及主缸数量冗余、主缸主动调平的液压机。
背景技术
当液压机滑块台面较大、存在偏载时，需要对液压机滑块进行平行运动控制，包括滑块的平移运动控制与倾斜调平控制。目前的技术方案往往是通过液压缸的同步跟随控制来实现液压机滑块的平行运动，这种方法没有实质上明确滑块平移运动控制与倾斜调平控制的内在联系，对多个主缸的控制缺乏协调性，不能得到最佳的控制效果，以上劣势在主缸数量多于滑块运行自由度时更为突出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液压机滑块平行运动控制系统及控制方法，能够协调冗余数量主缸实现滑块的平移运动控制与主动调平控制。
本发明的技术方案如下：
一种液压机滑块平行运动控制系统，至少包括主缸，用于提供推力从而驱动滑块。
位移传感器，用于检测滑块位移。
调速模块，用于控制主缸运动。
控制器，用于采集位移传感器信号、执行控制算法并将控制指令信号传给调速模块中的控制元件。
其中：所述调速模块是由比例阀、比例泵等液压控制元件组成的，具有流量动态调节能力；所述调速模块与所述主缸之间通过管路连接；所述控制器与所述位移传感器、调速模块之间电气连接。
一种根据权利要求1所述的液压机滑块平行运动控制系统的控制方法，至少包括如下步骤：
步骤1：在液压机滑块的平面投影中心o建立两根正交的坐标轴x与y，滑块o点的位移为zo，滑块绕坐标轴x的转角为θ x ，滑块绕坐标轴y的转角为θ y ，滑块运行姿态状态向量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
步骤2：所述位移传感器在步骤1建立的xoy坐标系中的坐标为（x Si ,y Si ），下标i表示所述位移传感器的编号，可以构建所述位移传感器的坐标转换矩阵：
Figure 704055DEST_PATH_IMAGE002
。
所述位移传感器的数量为p。
所述位移传感器在滑块上测量点的位移为zs i ，下标i表示所述位移传感器的编号，所述位移传感器采集的位移向量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
Xs与Xo存在空间映射关系为：
Figure 691603DEST_PATH_IMAGE004
。
上标T表示矩阵的转置，上标-1表示矩阵的逆。故Xo可以通过对所述位移传感器的检测结果进行坐标变换得到。
步骤3：所述主缸在步骤1建立的xoy坐标系中的坐标为（xc i ,yc i ），下标i表示所述主缸的编号，可以构建所述主缸的坐标转换矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
所述主缸的数量为q。
所述主缸的位移为zc i ，下标i表示所述主缸的编号，所述主缸的位移向量为：
Figure 476763DEST_PATH_IMAGE006
。
Xc与Xo存在空间映射关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
。
步骤4：设定滑块的期望运行姿态向量为：
Figure 600577DEST_PATH_IMAGE008
。
滑块运行过程中不希望发生偏转，所以θ xd 与θ yd 恒为0。滑块运行时的姿态跟踪误差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
步骤5：针对滑块运行姿态Xo设计闭环控制算法，目的是让Eh尽可能小，设控制算法计算得到的控制向量为Co。
步骤6：因为Xo的维度是3，所以Co的维度也是3，然而需要控制的主缸数量为q，主缸的控制向量需要对Co进行坐标变换得到：
Figure 947244DEST_PATH_IMAGE010
。
所述位移传感器的数量p与所述主缸的数量q均不小于滑块运行姿态状态向量Xo的维数。
本发明的优点是设计巧妙，使用方便，采用空间坐标转换技术，直接针对液压机滑块的位移与偏转角姿态同时进行平移运动控制与主动调平控制，适用于主缸数量冗余的液压机滑块平行控制。
附图说明
图1为本发明控制系统的原理示意图。
图2为本发明控制方法中涉及的空间平面投影示意图。
图3为本发明控制方法的控制框图。
图4为本发明调速模块的一种实现原理图。
图1中：1-主缸，2-位移传感器3，调速模块，4-控制器，101-滑块。
图2中：101-滑块，201-第一位移传感器，202-第二位移传感器，203-第三位移传感器，204-第四位移传感器，301-第一主缸，302-第二主缸，303-第三主缸，304-第四主缸。
图4中：401-比例控制阀，402-比例变量泵，403-恒压泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1，本发明主要包括：
主缸1，用于提供推力从而驱动滑块。
位移传感器2，用于检测滑块位移。
调速模块3，用于控制主缸运动。
控制器4，用于采集位移传感器信号、执行控制算法并将控制指令信号传给调速模块中的控制元件。
其中：所述调速模块3是由比例阀、比例泵等液压控制元件组成的，具有流量动态调节能力；所述调速模块3与所述主缸1之间通过管路连接；所述控制器4与所述位移传感器2、调速模块3之间电气连接。
参见图2，不失一般性地以4个主缸驱动滑块运行为例阐述液压机滑块平行运动控制系统的控制方法，其特征在于：至少包括如下步骤：
步骤1：在液压机滑块的平面投影中心o建立两根正交的坐标轴x与y，滑块o点的位移为zo，滑块绕坐标轴x的转角为θ x ，滑块绕坐标轴y的转角为θ y ，滑块运行姿态状态向量为：
Figure 359771DEST_PATH_IMAGE001
。
步骤2：所述位移传感器2的数量为4，用第一至第四位移传感器坐标构建坐标转换矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。
第一至第四位移传感器采集的位移向量为：
Figure 450087DEST_PATH_IMAGE012
。
Xs与Xo存在空间映射关系为：
Figure 195451DEST_PATH_IMAGE004
。
Xo可以通过对所述位移传感器2的检测结果进行坐标变换得到。
步骤3：所述主缸1的数量为4，用第一至第四主缸坐标构建坐标转换矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
第一至第四主缸坐标的位移向量为：
Figure 447441DEST_PATH_IMAGE014
。
Xc与Xo存在空间映射关系为：
Figure 347264DEST_PATH_IMAGE007
。
步骤4：设定滑块的期望运行姿态向量为：
Figure 975691DEST_PATH_IMAGE008
。
滑块运行过程中不希望发生偏转，所以θ xd 与θ yd 恒为0。滑块运行时的姿态跟踪误差为：
Figure 277360DEST_PATH_IMAGE009
。
步骤5：针对滑块运行姿态Xo设计闭环控制算法，目的是让Eh尽可能小，设控制算法计算得到的控制向量为Co。
步骤6：因为Xo的维度是3，所以Co的维度也是3，然而需要控制的主缸数量为q，主缸的控制向量需要对Co进行坐标变换得到：
Figure 700251DEST_PATH_IMAGE010
。
上述例子中所述主缸1数量为4，滑块的运动自由度为3，所以所述主缸1数量是冗余的。
参见图1、图2，液压机滑块具有3个运动自由度：上下直线运动；左右翻转运动；前后翻转运动。只考虑上下直线运动控制时，滑块的运行至少需要1个所述主缸1驱动，滑块的运行姿态至少需要1个所述位移传感器2测量；考虑上下直线运动与一个方向翻转运动时，滑块的运行至少需要2个所述主缸1驱动，滑块的运行姿态至少需要2个所述位移传感器2才能测量；同时考虑上下直线运动与两个方向翻转运动时，滑块的运行至少需要3个所述主缸1驱动，滑块的运行姿态至少需要3个所述位移传感器2才能测量， 并且所述主缸1必须布置为两排或两列。
综上所述，本发明所述位移传感器的数量p与所述主缸的数量q均不小于滑块运行姿态状态向量Xo的维数。
参见图3，本发明所述控制器4采集所述传感器2检测的滑块位移信号Xs, Xs经过坐标转换以后得到滑块的运行姿态Xo，所述控制器4根据设定的滑块期望运行姿态Xd与实际运行姿态Xo执行控制算法从而计算出控制指令Co，Co经过坐标转换以后得到控制指令Cc，Cc的维数与主缸的数量q相等，所以Cc可以分配给所述调速模块3，每个所述调速模块3分别调节所对应的所述主缸1的运动从而实现Xo跟随Xd。
参见图4，本发明所述调速模块3可以是比例控制阀、或者是比例变量泵、或者是它们的组合，具备流量的电液控制功能。

Claims (2)

1.一种液压机滑块平行运动控制系统，其特征是：至少包括
主缸（1），用于提供推力从而驱动滑块；
位移传感器（2），用于检测滑块位移；
调速模块（3），用于控制主缸运动；
控制器（4），用于采集位移传感器信号、执行控制算法并将控制指令信号传给调速模块中的控制元件；
其中：所述调速模块（3）是由比例阀、比例泵液压控制元件组成的，具有流量动态调节能力；所述调速模块（3）与所述主缸（1）之间通过管路连接；所述控制器（4）与所述位移传感器（2）、调速模块（3）之间电气连接；
所述的液压机滑块平行运动控制系统的控制方法，至少包括如下步骤：
步骤1：在液压机滑块的平面投影中心o建立两根正交的坐标轴x与y，滑块距离o点的位移为zo，滑块绕坐标轴x的转角为θ x ，滑块绕坐标轴y的转角为θ y ，滑块运行姿态状态向量为：
Figure QLYQS_1
；
步骤2：所述位移传感器（2）在步骤1建立的xoy坐标系中的坐标为（x Si ,y Si ），下标i表示所述位移传感器（2）的编号，构建所述位移传感器（2）的坐标转换矩阵：
Figure QLYQS_2
；
所述位移传感器（2）的数量为p；
所述位移传感器（2）在滑块上测量点的位移为zs i ，下标i表示所述位移传感器（2）的编号，所述位移传感器（2）采集的位移向量为：
Figure QLYQS_3
；
Xs与Xo存在空间映射关系为：
Figure QLYQS_4
；
上标T表示矩阵的转置，上标-1表示矩阵的逆；故Xo通过对所述位移传感器（2）的检测结果进行坐标变换得到；
步骤3：所述主缸（1）在步骤1建立的xoy坐标系中的坐标为（xc i ,yc i ），下标i表示所述主缸（1）的编号，构建所述主缸（1）的坐标转换矩阵：
Figure QLYQS_5
；
所述主缸（1）的数量为q；
所述主缸（1）的位移为zc i ，下标i表示所述主缸（1）的编号，所述主缸（1）的位移向量为：
Figure QLYQS_6
；
Xc与Xo存在空间映射关系为：
Figure QLYQS_7
；
步骤4：设定滑块的期望运行姿态向量为：
Figure QLYQS_8
；
滑块运行过程中不希望发生偏转，所以θ xd 与θ yd 恒为0；滑块运行时的姿态跟踪误差为：
Figure QLYQS_9
；
步骤5：针对滑块运行姿态Xo设计闭环控制算法，目的是让Eh尽可能小，设控制算法计算得到的控制向量为Co；
步骤6：因为Xo的维度是3，所以Co的维度也是3，然而需要控制的主缸数量为q，主缸的控制向量需要对Co进行坐标变换得到：
Figure QLYQS_10
。
2.根据权利要求1所述的一种液压机滑块平行运动控制系统及控制方法，其特征在于：所述位移传感器（2）的数量p与所述主缸（1）的数量q均不小于滑块运行姿态状态向量Xo的维数。
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