CN108626203B - 一种六自由度运动平台电液伺服系统的低频干扰补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六自由度运动平台电液伺服系统的低频干扰补偿方法，包括以下步骤：输入上平台六自由度位姿信号：利用活塞杆位移信号求取上平台的位姿反馈信号；利用位姿信号Q0减去位姿反馈信号Q，将二者之差作为比例积分控制器的输入信号；计算干扰力Fd；将干扰力计算模块的输出信号Fd作为补偿信号计算模块的输入信号，补偿信号计算模块计算补偿信号xd；加法器将比例积分控制器的输出信号xv与补偿信号计算模块的输出信号xd相加，将二者之和作为伺服阀的驱动信号，由伺服阀控制液压缸运动，进而驱动上平台实现六自由度运动。采用本发明提供的方法后，x自由度位置闭环传递函数幅频特性在6～7Hz频段的波动幅度降低到3dB以内，明显提高了系统的控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种小位移电液六自由度运动平台，特别是一种小位移六自由度运动平台电液伺服系统的低频干扰补偿方法。
背景技术
电液六自由度运动平台作为运动环境模拟试验的关键设备，广泛应用于航空、航天、兵器、核工业等国防工业领域和汽车、建筑等民用工业部门。为试件性能测试和技术改进提供重要的实验依据。
传统电液六自由度运动平台系统的设计，均假设系统有刚性基础，且液压缸与上平台及负载均为刚性连接。但对于负载重量较大的系统，上述假设并不成立。系统的基础存在弹性，液压缸与上平台及负载之间也存在柔性连接。受基础弹性和柔性连接等干扰因素的影响，系统位置闭环传递函数幅频特性在低频段易出现较大幅度的波动，极大降低了电液六自由度运动平台系统的控制精度。
以电液六自由度运动平台沿x自由度运动为例，分析表明，采用传统控制方法时，受弹性基础及柔性连接的影响，x自由度位置闭环传递函数幅频特性在6～7Hz频段内出现了约21dB的波动，严重影响了给定信号在该频段内的再现精度。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种控制精度高的六自由度运动平台电液伺服系统的低频干扰补偿方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种六自由度运动平台电液伺服系统的低频干扰补偿方法，所述的六自由度运动平台，包括三个水平向液压缸、三个垂直向液压缸、上平台和下平台；所述的三个水平向液压缸分别为1号液压缸、2号液压缸和3号液压缸；所述的三个垂直向液压缸分别为4号液压缸、5号液压缸和6号液压缸；所述的1号液压缸、2号液压缸和3号液压缸分别通过1号液压缸支座、2号液压缸支座和3号液压缸支座固定在下平台上；所述的1号液压缸、2号液压缸和3号液压缸外端分别通过虎克铰与1号液压缸支座、2号液压缸支座和3号液压缸支座连接，内端分别通过虎克铰与上平台连接；所述的4号液压缸、5号液压缸和6号液压缸的下端分别通过虎克铰与下平台连接，上端分别通过虎克铰与上平台连接；
所述的六自由度运动平台电液伺服系统包括减法器、比例积分控制器、加法器、六个阀控缸系统、位姿反馈信号计算模块、干扰力计算模块和干扰补偿信号计算模块；
所述的低频干扰补偿方法包括以下步骤：
A、以上平台质心为原点建立空间直角坐标系，输入上平台六自由度位姿信号：
Q0＝[qx0 qy0 qz0 qRx0 qRy0 qRz0]
其中，qRx0为横摇角；qRy0为纵摇角；qRz0为偏航角；qx0为沿Ox平移量；qy0为沿Oy平移量；qz0为沿Oz平移量；
B、采集六个液压缸活塞杆位移信号L，作为位姿反馈信号计算模块的输入信号；位姿反馈信号计算模块利用活塞杆位移信号求取上平台的位姿反馈信号，算式为：
Q＝J0 -1·L
其中，L为活塞杆位移信号，为6×1向量；Q为位姿反馈信号，为6×1向量；J0为雅克比矩阵，由于上平台运动位移较小，J0按上式表示；d1为4号液压缸上铰点距x轴的水平距离；d2为6号液压缸上铰点距y轴的水平距离；d3为5号液压缸上铰点距y轴的水平距离；d4为3号液压缸上铰点距y轴的水平距离；
C、减法器利用位姿信号Q0减去位姿反馈信号计算模块的输出信号Q，将二者之差作为比例积分控制器的输入信号；
D、采集六个液压缸活塞杆加速度信号和六个液压缸两腔的压差信号PL，作为干扰力计算模块的输入信号；干扰力计算模块计算干扰力Fd，算式为：
其中，干扰力Fd为6×1向量；PL为液压缸两腔压差信号，为6×1向量；Sa为液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积；为活塞杆加速度信号，为6×1向量；m为上平台质量；ix是上平台关于x轴的转动惯量；iy是上平台关于y轴的转动惯量；iz是上平台关于z轴的转动惯量；
E、将干扰力计算模块的输出信号Fd作为干扰补偿信号计算模块的输入信号，干扰补偿信号计算模块计算补偿信号xd，算式为：
其中，补偿信号xd为6×1向量；Kc为伺服阀流量压力系数；Ctc为液压缸总泄漏系数；Vt为液压缸两腔的总容积；s为拉普拉斯变换中的复变量；βe为油液等效体积弹性模量；Kq为伺服阀流量增益；f为转折频率；
F、加法器将比例积分控制器的输出信号xv与干扰补偿信号计算模块的输出信号xd相加，将二者之和作为伺服阀的驱动信号，由伺服阀控制液压缸运动，进而驱动上平台实现六自由度运动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、采用本发明提供的方法后，x自由度位置闭环传递函数幅频特性在6～7Hz频段的波动幅度降低到3dB以内，明显提高了系统的控制精度。
2、本发明本发明的所有步骤均可通过软件编程实现。在CPU为Intel PD2.6G、内存为1G的Advantech工控机IPC-610上测试，算法的运行周期小于1ms，能够满足六自由度运动平台电液伺服系统实时性要求，所以本发明易于采用计算机数字控制实现。
附图说明
图1是六自由度运动平台结构示意图。
图2是图1的俯视图(简图)。
图3是本发明的控制流程图。
图中：1、1号液压缸，2、2号液压缸，3、3号液压缸，4、4号液压缸，5、5号液压缸，6、6号液压缸，7、上平台，8、下平台，9、1号液压缸支座，10、2号液压缸支座，11、3号液压缸支座，12、减法器，13、比例积分控制器，14、加法器，15、位姿反馈信号计算模块，16、干扰力计算模块，17、干扰补偿信号计算模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-3所示，一种六自由度运动平台电液伺服系统的低频干扰补偿方法，所述的六自由度运动平台，包括三个水平向液压缸、三个垂直向液压缸、上平台7和下平台8；所述的三个水平向液压缸分别为1号液压缸1、2号液压缸2和3号液压缸3；所述的三个垂直向液压缸分别为4号液压缸4、5号液压缸5和6号液压缸6；所述的1号液压缸1、2号液压缸2和3号液压缸3分别通过1号液压缸支座9、2号液压缸支座10和3号液压缸支座11固定在下平台8上；所述的1号液压缸1、2号液压缸2和3号液压缸3外端分别通过虎克铰与1号液压缸支座9、2号液压缸支座10和3号液压缸支座11连接，内端分别通过虎克铰与上平台7连接；所述的4号液压缸4、5号液压缸5和6号液压缸6的下端分别通过虎克铰与下平台8连接，上端分别通过虎克铰与上平台7连接；
所述的六自由度运动平台电液伺服系统包括减法器12、比例积分控制器13、加法器14、六个阀控缸系统、位姿反馈信号计算模块15、干扰力计算模块16和干扰补偿信号计算模块17；
所述的低频干扰补偿方法包括以下步骤：
A、以上平台7质心为原点建立空间直角坐标系，输入上平台7六自由度位姿信号：
Q0＝[qx0 qy0 qz0 qRx0 qRy0 qRz0]
其中，qRx0为横摇角；qRy0为纵摇角；qRz0为偏航角；qx0为沿Ox平移量；qy0为沿Oy平移量；qz0为沿Oz平移量；
B、采集六个液压缸活塞杆位移信号L，作为位姿反馈信号计算模块15的输入信号；位姿反馈信号计算模块15利用活塞杆位移信号求取上平台7的位姿反馈信号，算式为：
Q＝J0 -1·L
其中，L为活塞杆位移信号，为6×1向量；Q为位姿反馈信号，为6×1向量；J0为雅克比矩阵，由于上平台7运动位移较小，J0按上式表示；d1为4号液压缸4上铰点距x轴的水平距离；d2为6号液压缸6上铰点距y轴的水平距离；d3为5号液压缸5上铰点距y轴的水平距离；d4为3号液压缸3上铰点距y轴的水平距离；
C、减法器12利用位姿信号Q0减去位姿反馈信号计算模块15的输出信号Q，将二者之差作为比例积分控制器13的输入信号；
D、采集六个液压缸活塞杆加速度信号和六个液压缸两腔的压差信号PL，作为干扰力计算模块16的输入信号；干扰力计算模块16计算干扰力Fd，算式为：
其中，干扰力Fd为6×1向量；PL为液压缸两腔压差信号，为6×1向量；Sa为液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积；为活塞杆加速度信号，为6×1向量；m为上平台7质量；ix是上平台7关于x轴的转动惯量；iy是上平台7关于y轴的转动惯量；iz是上平台7关于z轴的转动惯量；
E、将干扰力计算模块16的输出信号Fd作为干扰补偿信号计算模块的输入信号，干扰补偿信号计算模块计算补偿信号xd，算式为：
其中，补偿信号xd为6×1向量；Kc为伺服阀流量压力系数；Ctc为液压缸总泄漏系数；Vt为液压缸两腔的总容积；s为拉普拉斯变换中的复变量；βe为油液等效体积弹性模量；Kq为伺服阀流量增益；f为转折频率；
F、加法器14将比例积分控制器13的输出信号xv与干扰补偿信号计算模块的输出信号xd相加，将二者之和作为伺服阀的驱动信号，由伺服阀控制液压缸运动，进而驱动上平台7实现六自由度运动。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种六自由度运动平台电液伺服系统的低频干扰补偿方法，所述的六自由度运动平台，包括三个水平向液压缸、三个垂直向液压缸、上平台(7)和下平台(8)；所述的三个水平向液压缸分别为1号液压缸(1)、2号液压缸(2)和3号液压缸(3)；所述的三个垂直向液压缸分别为4号液压缸(4)、5号液压缸(5)和6号液压缸(6)；所述的1号液压缸(1)、2号液压缸(2)和3号液压缸(3)分别通过1号液压缸支座(9)、2号液压缸支座(10)和3号液压缸支座(11)固定在下平台(8)上；所述的1号液压缸(1)、2号液压缸(2)和3号液压缸(3)外端分别通过虎克铰与1号液压缸支座(9)、2号液压缸支座(10)和3号液压缸支座(11)连接，内端分别通过虎克铰与上平台(7)连接；所述的4号液压缸(4)、5号液压缸(5)和6号液压缸(6)的下端分别通过虎克铰与下平台(8)连接，上端分别通过虎克铰与上平台(7)连接；
其特征在于：所述的六自由度运动平台电液伺服系统包括减法器(12)、比例积分控制器(13)、加法器(14)、六个阀控缸系统、位姿反馈信号计算模块(15)、干扰力计算模块(16)和干扰补偿信号计算模块(17)；
所述的低频干扰补偿方法包括以下步骤：
A、以上平台(7)质心为原点建立空间直角坐标系，输入上平台(7)六自由度位姿信号：
Q0＝[qx0 qy0 qz0 qRx0 qRy0 qRz0]
其中，qRx0为横摇角；qRy0为纵摇角；qRz0为偏航角；qx0为沿Ox平移量；qy0为沿Oy平移量；qz0为沿Oz平移量；
B、采集六个液压缸活塞杆位移信号L，作为位姿反馈信号计算模块(15)的输入信号；位姿反馈信号计算模块(15)利用活塞杆位移信号求取上平台(7)的位姿反馈信号，算式为：
Q＝J0 -1·L
其中，L为活塞杆位移信号，为6×1向量；Q为位姿反馈信号，为6×1向量；J0为雅克比矩阵，由于上平台(7)运动位移较小，J0按上式表示；d1为4号液压缸(4)上铰点距x轴的水平距离；d2为6号液压缸(6)上铰点距y轴的水平距离；d3为5号液压缸(5)上铰点距y轴的水平距离；d4为3号液压缸(3)上铰点距y轴的水平距离；
C、减法器(12)利用位姿信号Q0减去位姿反馈信号计算模块(15)的输出信号Q，将二者之差作为比例积分控制器(13)的输入信号；
D、采集六个液压缸活塞杆加速度信号和六个液压缸两腔的压差信号PL，作为干扰力计算模块(16)的输入信号；干扰力计算模块(16)计算干扰力Fd，算式为：
其中，干扰力Fd为6×1向量；PL为液压缸两腔压差信号，为6×1向量；Sa为液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积；为活塞杆加速度信号，为6×1向量；m为上平台(7)质量；ix是上平台(7)关于x轴的转动惯量；iy是上平台(7)关于y轴的转动惯量；iz是上平台(7)关于z轴的转动惯量；
E、将干扰力计算模块(16)的输出信号Fd作为干扰补偿信号计算模块的输入信号，干扰补偿信号计算模块计算补偿信号xd，算式为：
其中，补偿信号xd为6×1向量；Kc为伺服阀流量压力系数；Ctc为液压缸总泄漏系数；Vt为液压缸两腔的总容积；s为拉普拉斯变换中的复变量；βe为油液等效体积弹性模量；Kq为伺服阀流量增益；f为转折频率；
F、加法器(14)将比例积分控制器(13)的输出信号xv与干扰补偿信号计算模块的输出信号xd相加，将二者之和作为伺服阀的驱动信号，由伺服阀控制液压缸运动，进而驱动上平台(7)实现六自由度运动。
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