CN109668713B - 一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法 - Google Patents

Abstract

一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法，属于海洋工程应用领域，步骤为：首先，利用执行机构运动学正解原理求解执行机构工作空间范围，选择适用的执行机构；其次，对驱动电机进行系统辨识，根据辨识模型设计前馈控制与干扰观测器；然后，将驱动电机模型及其控制算法集成到执行机构运动学模型中进行整体仿真，验证控制算法的有效性；最后，将设计好的控制算法集成到运动控制卡，实现执行机构的运动控制。本发明能够提高主动式截断试验截断点执行机构运动跟踪性能，从而保障主动式截断试验的精度。

Description

一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法

技术领域

本发明属于海洋工程应用领域，涉及一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法，适用于多种电机类型与模拟工况。

背景技术

我国深海油气资源储量丰富，为提高深海油气开采技术水平，在深水平台及其锚泊系统设计中一般均需要进行物理模型试验，以验证其可靠性。然而，目前常见的的试验水池尺寸如：荷兰MARIN水池为45m×36m×10.5m，上海交大海洋深水试验池50m×40m×10m，都无法完成大缩尺比例的深水平台全水深物理模型试验。

受现有水池尺寸的限制，无法按常规缩尺比完成上千米水深的深水平台锚泊系统物理模型试验，所以提出了将深水平台的锚泊系统截断以进行物理模型试验，称作截断模型试验方法(或混合模型试验)。截断锚泊系统上部是物理模型而下部用数学模型代替，目前有两种方法：被动式截断与主动式截断。

被动式截断试验的实施过程是将截断点锚固在水池底部，以截断系统与全水深系统的静力和部分动力特性相似作为优化目标进行设计，最后通过数值重构和数值外推方法预报浮式平台系统的动态响应。虽然被动式截断能够满足截断系统与全水深系统的静力和部分动力相似，但是仍存在两个主要问题：不能完全满足锚泊系统动力特性相似而使得无法直接利用物理模型试验结果准确预报运动响应；截断比例较小时被动式截断试验难于设计与实施。

主动式截断试验的实施过程是在水池底部布置执行机构，利用执行机构带动锚泊系统截断点按照真实的响应实现实时运动，如图1所示。这种试验方法可以避免大量的数值计算，实现锚泊系统的动力特性相似。为使截断点按真实的响应运动，需将其连接在执行机构上以实时跟踪输入的运动信号，而其中的关键问题是如何选择并控制执行机构实现锚泊系统截断点实时高精度的运动跟踪性能。

发明内容

本发明的目的在于解决实施主动式截断试验中执行机构的选择与控制问题，选择一种适用于主动式截断试验的执行机构并设计相应的控制算法以提高其运动跟踪精度及性能，从而提高主动式截断试验的精度。首先，利用执行机构运动学正解原理求解执行机构工作空间范围，从而选择适用的执行机构；其次，对驱动电机进行系统辨识，根据辨识模型设计前馈控制与干扰观测器，分别提高系统响应速度与抗干扰性；然后，将驱动电机模型及其控制算法集成到执行机构运动学模型中进行整体仿真，验证控制算法的有效性；最后，将设计好的控制算法集成到运动控制卡，实现执行机构的运动控制。本发明提供的执行机构选择方法、控制策略、整体仿真方法适用于多种电机与执行机构类型，简单易行，原理清晰，即使试验环境发生改变也具有一定适用性。为提高主动式截断试验中执行机构选择与实时运动跟踪控制提供支持。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法，该方法包括通过工作空间范围选择主动式截断试验截断点执行机构，基于系统辨识的执行机构前馈控制、干扰观测器控制与整体仿真，具体步骤如下：

第一步，求解执行机构工作空间范围

根据执行机构尺寸参数和运动学反解原理对执行机构工作空间范围进行数值求解，判断是否满足试验条件，并根据工作空间范围选择满足试验条件的主动式截断试验截断点执行机构。所述的执行机构包括运动平台，与运动平台相连的多个支腿，及与支腿连接的控制支腿运行的驱动电机。

所述的执行机构工作空间范围，是指执行机构的运动平台在三维空间内进行位置变化而不进行空间角度变化时，所能达到的最大运动范围。求解执行机构工作空间范围包括以下4个步骤：

步骤1；选取一个三维空间区域，并任选一点作为运动平台的位姿。

步骤2：根据运动平台的位置与姿态，通过坐标转换与向量叠加求解与运动平台相连的支腿向量，进而得到支腿长度，并根据支腿长度上下限判断该位姿是否在工作空间范围内：只要有一条支腿长度超出上下限，则对应的位姿不在工作空间范围内；反之则在工作空间范围内。

步骤3：重复上述步骤1～2，直至遍历三维空间区域内所有点。

步骤4：根据在工作空间范围内的点求边界面，即得到工作空间范围。

第二步，针对支腿驱动电机进行系统辨识

将一段白噪声运动信号输入给与支腿相连的驱动电机，由驱动电机得到实际输出响应；结合输入信号与驱动电机的输出响应，采用MATLAB系统辨识工具箱得到多种辨识传递函数结构，再通过MATLAB系统辨识工具箱使驱动电机输出响应与辨识传递函数输出响应之间的误差最小化，得到精度最高的辨识传递函数。即结合MATLAB系统辨识工具箱，以误差最小化为原则选择精度最高的驱动电机的辨识传递函数。

第三步，设计前馈控制与干扰观测器

结合第二步的驱动电机辨识传递函数设计两种控制算法，前馈控制与干扰观测器，分别提高驱动电机的响应速度与抗干扰性能。

第四步，进行整体仿真

根据第二步的驱动电机辨识传递函数设计控制算法后，将驱动电机的辨识传递函数、两种控制算法集成到Stewart平台运动学模型中，验证控制算法是否有效：如果有效将控制算法编入运动控制卡来控制实际主动截断试验中的执行机构；如果无效，则返回步骤二。

第五步，装置连接

根据第四步的整体仿真结果，将两种控制算法应用到实际试验的主动式截断试验执行机构上，并通过两种控制算法提高执行机构的运动跟踪精度，具体为：运动控制软件通过运动控制卡给各支腿的驱动电机发送运动信号，驱动电机通过伸缩运动带动执行机构运动，且驱动电机的实际运动信号将由传感器反馈到运动控制卡，从而达到控制执行机构运动的效果。所述的主动截断试验执行机构控制所需装置有：工控机、运动控制卡及运动控制软件、传感器、I/O设备、线路、外加水密装置。

本发明的有益效果为：本发明基于主动式截断试验锚泊系统截断点执行机构工作空间范围求解提出了适用于主动式截断试验截断点执行机构选择方法，基于系统辨识与控制仿真提出了两种提高主动式截断试验截断点执行机构运动跟踪精度的控制算法，从而保障主动式截断试验的精度。此外，本发明提出的控制方法适用于多种电机类型与模拟工况，简单易行，原理清晰，即使试验环境发生改变也具有一定适用性。

附图说明

图1(a)为主动式截断试验流程图；图1(b)为Stewart平台示意图；

图2为执行机构工作空间范围求解算法图；

图3为系统辨识流程图；

图4为前馈控制与干扰观测器原理；

图5为整体仿真示意图。

图中：1上部运动平台；2下部固定平台；3上部万向铰；4下部万向铰；5支腿驱动电机。

具体实施方式

以下对本发明做进一步说明。

执行机构控制与仿真的实施过程以Stewart平台为执行机构进行展开说明。所述的Stewart平台示意图如图1(b)所示，包括上部运动平台1、下部固定平台2、上部万向铰3、下部万向铰4、支腿驱动电机5，上部运动平台1和下部固定平台2之间通过六个支腿连接，支腿上部与上部万向铰3连接，支腿下部与下部万向铰4连接，各支腿运动通过支腿驱动电机5进行驱动。

一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法，该方法包括通过工作空间范围选择主动式截断试验截断点执行机构，基于系统辨识的执行机构前馈控制、干扰观测器控制与整体仿真，具体步骤如下：

第一步，求解执行机构工作空间范围

根据执行机构尺寸参数和运动学反解原理对执行机构工作空间范围进行数值求解，判断是否满足试验条件。

所述的执行机构工作空间范围，是指上部运动平台1在三维空间内进行位置变化而不进行空间角度变化，所能达到的最大运动范围。求解执行机构工作空间范围包括以下4个步骤：

步骤1；选取一个三维空间区域，并任选一点作为上部运动平台1的位姿。

步骤2：所述的Stewart平台运动学反解原理是根据上部运动平台1的位置与姿态，通过坐标转换与向量叠加求解六个支腿向量，进而得到六个支腿长度。即根据下述运动学反解原理公式(1)～(5)求解六个支腿长度，并根据支腿长度上下限判断该位姿是否在工作空间范围内：只要有一条支腿长度超出上下限，则对应的位姿不在工作空间范围内；反之则在工作空间范围内。

L＝C+RB-A (1)

C＝[c_p c_p c_p c_p c_p c_p] (3)

c_p＝[x y z]^T (4)

l_i＝||L_i||(i＝1,2…,6) (5)

其中：x，y，z是上部运动平台1中点在三维空间的位置；α，β，γ是上部运动平台1的空间角姿态；c_p即位置向量；C是中心点位置矩阵；A是下部万向铰4在下部固定平台2坐标系中的坐标；B是上部万向铰3在上部运动平台1坐标系中的坐标；R是将上部运动平台1坐标系转换成下部固定平台2坐标系的旋转矩阵；L是六个支腿向量；L_i是第i个支腿向量；l_i是对L_i求二范数得到的第i个支腿长度。

步骤3：重复上述步骤1～2，直至遍历三维空间区域内所有点。

步骤4：根据在工作空间范围内的点求边界面，即工作空间范围。

第二步，针对支腿驱动电机进行系统辨识(如图3)

将一段白噪声运动信号输入给支腿驱动电机5，由支腿驱动电机5得到实际输出响应；结合输入信号与支腿驱动电机5的输出响应，采用MATLAB系统辨识工具箱得到多种辨识传递函数结构，再通过MATLAB系统辨识工具箱使支腿驱动电机5输出响应与辨识传递函数输出响应之间的误差最小化，得到精度最高的辨识传递函数。即结合MATLAB系统辨识工具箱，以误差最小化为原则选择精度最高的支腿驱动电机5的辨识传递函数。

系统辨识流程如图3所示，假设被辨识系统为：

其中：a_n、b_n均为待定系数，n为模型阶数，Y是输出响应，U是输入信号。利用MATLAB系统辨识工具箱确定精度最高的模型结构以及各待定系数的值，即可用该传递函数模型进行系统分析与控制算法设计。

第三步，设计前馈控制与干扰观测器(如图4)

响应速度慢、抗干扰性差会影响执行机构的运动跟踪性能，从而影响主动式截断试验的精度，所以应引入控制算法予以解决。前馈控制可用来提高系统的响应速度，干扰观测器可以提高系统抗干扰性能。此外，前馈控制与干扰观测器的设计都只与受控对象传递函数有关。

结合第二步的支腿驱动电机5辨识传递函数设计两种控制算法：前馈控制与干扰观测器，分别提高驱动电机的响应速度与抗干扰性能。

所述的前馈控制为：

所述的干扰观测器：

其中：F(s)是前馈控制，H(s)是干扰观测器，Q(s)是保证控制算法能够实现的低通滤波器，U₀(s)是前馈控制信号，Y_r(s)是运动输入信号，Y(s)是运动输出信号，G_n(s)是受控对象的系统辨识传递函数，G(s)是受控对象的实际传递函数，所述的受控对象即支腿驱动电机5。

当系统辨识精度较高时，G_n(s)与G(s)近似相等，则式(7)简化为：F(s)＝G(s)^-1，代表系统响应速度可以大幅提升；式(8)简化为H(s)＝G(s)，代表干扰观测器不影响前馈控制算法的设计与效果，而且可以减小外部干扰对系统运动跟踪精度的影响。因此两种控制算法可以共同使用，分别提高系统的响应速度与抗干扰性能。

第四步，进行整体仿真(如图5)

根据第二步的支腿驱动电机5辨识传递函数设计控制算法后，将支腿驱动电机5的辨识传递函数、两种控制算法集成到Stewart平台运动学模型中，验证控制算法是否有效：如果有效将控制算法编入运动控制卡来控制实际主动截断试验中的执行机构；如果无效，则返回步骤二。

所述的Stewart平台运动学模型包括运动学反解原理与运动学正解原理。所述的运动学反解原理见第二步式(1)～(5)。所述的运动学正解原理是已知六个支腿长度，根据牛顿拉夫逊法迭代求解上部运动平台1的位姿。

所述的牛顿拉夫逊法的优化目标函数为：

其中：P_n是第n次迭代的位姿向量，L_i是位姿P_n对应的支腿驱动电机向量，l_i是已知的支腿驱动电机长度。h_i(P_n)和H(P_n)共同构成优化目标函数。

迭代方法为：

其中：H′(P_n)是H(P_n)对P_n求导得到的矩阵。当优化目标函数为0时即可得到已知支腿长度对应的上部运动平台1的位姿。

所述的整体仿真具体过程为：将锚泊系统截断点运动信号作为位姿信号，输入给Stewart平台上部运动平台1，通过运动学反解原理求解六个支腿长度及驱动电机所运动信号，运动信号经过驱动电机模块得到的是驱动电机实际运动，从而得到六个支腿实际长度，经过运动学正解原理即可求得Stewart平台实际位姿。所述的驱动电机模块包括第二步所述的驱动电机辨识传递函数及第三步所述的控制算法。

第五步，装置连接

根据第四步的整体仿真结果，将两种控制算法应用到实际试验的主动式截断试验执行机构Stewart平台上，并通过两种控制算法提高Stewart平台运动跟踪精度，具体为：运动控制软件通过运动控制卡给各支腿驱动电机5发送运动信号，支腿驱动电机5通过伸缩运动带动Stewart平台运动，且支腿驱动电机5的实际运动信号将由传感器反馈到运动控制卡，从而达到控制Stewart平台运动的效果。所述的主动截断试验执行机构控制所需装置有：工控机、运动控制卡及运动控制软件、传感器、I/O设备、线路、外加水密装置。

第六步，实际操作

每一时间步都由计算机快速计算获取锚泊系统截断点处的运动数据，并实时传输给工控机。通过运动控制卡将运动输入信号及截断点运动信号转换成控制信号，分别输入给Stewart平台的六个驱动电机，由驱动电机的伸缩运动带动Stewart平台上部平台运动，从而带动锚泊系统截断点运动。由于进行了运动跟踪控制，锚泊系统截断点能快速、精确地跟踪运动输入信号。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法，其特征在于，首先，利用执行机构运动学正解原理求解执行机构工作空间范围，选择适用的执行机构；其次，对驱动电机进行系统辨识，根据辨识模型设计前馈控制与干扰观测器；然后，将驱动电机模型及其控制算法集成到执行机构运动学模型中进行整体仿真，验证控制算法的有效性；最后，将设计好的控制算法集成到运动控制卡，实现执行机构的运动控制，具体包括以下步骤：

第一步，求解执行机构工作空间范围

根据执行机构尺寸参数和运动学反解原理对执行机构工作空间范围进行数值求解，判断是否满足试验条件，并根据工作空间范围选择满足试验条件的主动式截断试验截断点执行机构；所述的执行机构包括运动平台，与运动平台相连的多个支腿，及与支腿连接的控制支腿运行的驱动电机；所述的执行机构工作空间范围是指执行机构的运动平台在三维空间内进行位置变化而不进行空间角度变化，所能达到的最大运动范围；

第二步，针对支腿驱动电机进行系统辨识

将一段白噪声运动信号输入给与支腿相连的驱动电机，由驱动电机得到实际输出响应；结合输入信号与驱动电机的输出响应，采用MATLAB系统辨识工具箱得到多种辨识传递函数结构，再通过MATLAB系统辨识工具箱使驱动电机输出响应与辨识传递函数输出响应之间的误差最小化，得到精度最高的驱动电机的辨识传递函数；

第三步，设计前馈控制与干扰观测器

结合第二步的驱动电机辨识传递函数设计两种控制算法，前馈控制与干扰观测器，分别提高驱动电机的响应速度与抗干扰性能；

第四步，进行整体仿真

根据第二步的驱动电机辨识传递函数设计控制算法后，将驱动电机的辨识传递函数、两种控制算法集成到Stewart平台运动学模型中，验证控制算法是否有效：如果有效将控制算法编入运动控制卡来控制实际主动截断试验中的执行机构；如果无效，则返回步骤二；所述的Stewart平台运动学模型包括运动学反解原理与运动学正解原理，其中，运动学正解原理是在已知支腿长度的基础上，根据牛顿拉夫逊法迭代求解运动平台的位姿；

第五步，装置连接

根据第四步的整体仿真结果，将两种控制算法应用到实际试验的主动式截断试验执行机构上，并通过两种控制算法提高执行机构的运动跟踪精度：运动控制卡给各支腿的驱动电机发送运动信号，驱动电机通过伸缩运动带动执行机构的运动，且驱动电机的实际运动信号将由传感器反馈到运动控制卡，达到控制执行机构运动的目的。

2.根据权利要求1所述的一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法，其特征在于：第一步所述的求解执行机构工作空间范围包括以下步骤：

步骤1；选取一个三维空间区域，并任选一点作为运动平台的位姿；

步骤2：根据运动平台的位置与姿态，通过坐标转换与向量叠加求解与运动平台相连的支腿向量，得到支腿长度，并根据支腿长度上下限判断该位姿是否在工作空间范围内：只要有一条支腿长度超出上下限，则对应的位姿不在工作空间范围内；反之则在工作空间范围内；

步骤3：重复上述步骤1～2，直至遍历三维空间区域内所有点；

步骤4：根据在工作空间范围内的点求边界面，得到工作空间范围。

3.根据权利要求1所述的一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法，其特征在于：

第三步所述的前馈控制为：

第三步所述的干扰观测器：

其中：F(s)是前馈控制，H(s)是干扰观测器，Q(s)是保证控制算法能够实现的低通滤波器，U₀(s)是前馈控制信号，Y_r(s)是运动输入信号，Y(s)是运动输出信号，G_n(s)是受控对象的系统辨识传递函数，G(s)是受控对象的实际传递函数，所述的受控对象为驱动电机。

Images