CN109708836B - 一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法，包括以下步骤：得到PI控制器的输入信号和输出信号；得到台阵模拟系统反馈的位姿信号y_f；计算冗余力补偿信号x_f；得到PID控制器的输入信号和输出信号；驱动台阵模拟系统运动。本发明通过采集10个阀控缸机构中液压缸的压差信号，计算出冗余力补偿信号，利用冗余力补偿信号调节阀控缸机构的驱动信号，使各阀控缸机构中的冗余力减小到额定供油压力的15％以内。本发明在CPU为Intel PD 2.6G、内存为1G的Advantech工控机IPC‑610上测试，算法的运行周期小于1ms，能够满足台阵振动模拟系统的实验要求。

Description

一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法

技术领域

本发明涉及一种电液振动台，特别是一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法。

背景技术

电液振动台是振动环境模拟的重要设备，广泛应用于航天、汽车、船舶、桥梁和土木工程建筑等领域。随着科技的发展，试件的结构尺寸越来越大。单振动台振动模拟实验很难达到指定的运动状态来模拟真实的振动环境。振动台台阵模拟系统由两个或两个以上的振动台组成，为大跨度结构试件的振动模拟试验创造了必要条件.

台阵模拟系统多为冗余驱动系统，驱动机构的数量多于系统的运动自由度数，因此会产生冗余力。如果控制策略选取不当，将使台阵模拟系统中各驱动机构间出现较大的冗余力耦合，过多的消耗能量，严重时可导致系统无法运动。

两自由度双电液振动台台阵振动模拟平台由10套阀控缸机构驱动，具有横摇和纵摇两个运动自由度，是典型的冗余驱动系统。现有的针对单振动台的控制方法无法直接应用于控制台阵模拟系统运动。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以有效的降低台阵模拟系统的冗余力的两自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法，所述的两自由度双电液振动台台阵模拟系统包括下平台、六自由度振动台、两自由度振动台、桥墩A、桥墩B和桥板。

所述的六自由度振动台包括三个水平向阀控缸机构、三个垂直向阀控缸机构、上平台B和三个反力墙，所述的三个水平向阀控缸机构分别为5号阀控缸机构、6号阀控缸机构和7号阀控缸机构，所述的三个垂直向阀控缸机构分别为 8号阀控缸机构、9号阀控缸机构和10号阀控缸机构，所述的三个反力墙为1 号反力墙、2号反力墙和3号反力墙，所述的5号阀控缸机构、6号阀控缸机构和7号阀控缸机构的外端分别通过各自的虎克铰与1号反力墙、2号反力墙和3 号反力墙连接，所述的1号反力墙、2号反力墙和3号反力墙的下端均固定在下平台上；所述的5号阀控缸机构、6号阀控缸机构和7号阀控缸机构的内端分别通过各自的虎克铰与上平台B连接；所述的8号阀控缸机构、9号阀控缸机构和 10号阀控缸机构的下端分别通过各自的虎克铰与下平台连接；所述的8号阀控缸机构、9号阀控缸机构和10号阀控缸机构的上端分别通过各自的虎克铰与上平台B连接。

所述的两自由度振动台包括四个垂直向阀控缸机构、上平台A、大虎克铰和支座，所述的四个垂直向阀控缸机构分别为1号阀控缸机构、2号阀控缸机构、 3号阀控缸机构和4号阀控缸机构，所述的1号阀控缸机构、2号阀控缸机构、 3号阀控缸机构和4号阀控缸机构的下端分别通过各自的虎克铰与下平台连接、上端分别通过各自的虎克铰与上平台A连接；所述的大虎克铰的上端与上平台 A连接、下端与支座连接，所述的支座固定在下平台上。

所述的上平台A通过桥墩A和桥板连接；所述的上平台B通过桥墩B和桥板连接。

所述的位姿控制方法，包括以下步骤：

A、以两自由度振动台的大虎克铰中心O为控制点，在控制点建立O-XYZ 坐标系。OX轴正方向由O点指向1号阀控缸机构上端虎克铰铰点中心与2号阀控缸机构上端虎克铰铰点中心的连线的中点，且与该连线垂直；OZ轴正方向由 O点垂直指向下平台，OX、OY和OZ三个坐标轴的方向满足右手定则；两自由度双电液振动台台阵模拟系统有两个自由度，分别是绕OX轴转动的横摇运动和绕OY轴转动的纵摇运动。

给定台阵模拟系统两自由度位姿指令信号为y_o，y_o是一个2×1的列向量，即：

y_o＝(Rx Ry)^T

式中，上标“T”表示转置，Rx是横摇角度，Ry是纵摇角度。

给定y_f的初始值为(0 0)^T，用y_o减去台阵模拟系统反馈的位姿信号y_f，将所得的偏差信号作为PI控制器的输入信号。PI控制器的输出信号为w，w是一个 2×1的列向量。将信号w右乘自由度分解矩阵H_f，输出信号即为x_o，x_o是一个 10×1的列向量，计算公式为：

x_o＝H_fw

式中，H_f为10×2的矩阵：

式中，d1为控制点O与5号阀控缸机构内端的虎克铰铰点中心A5的连线在OZ轴上的投影长度；d2为控制点O与3号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心A3的连线在OX轴上的投影长度；d3为控制点O与1号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心A1连线在OX轴上的投影长度；d4为控制点O与1号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心A1的连线在OY轴上的投影长度；d5为控制点O 与9号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心A9的连线在OY轴上的投影长度；d6 为控制点O与10号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心A10的连线在OY轴上的投影长度；d7为控制点O与8号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心A8的连线在OX轴上的投影长度；

B、采集10个阀控缸机构中液压缸的位移信号d，d为10×1的列向量。将位移信号d右乘自由度合成矩阵H_c，得到台阵模拟系统反馈的位姿信号y_f，y_f为2×1的列向量。自由度合成矩阵H_c为2×10的矩阵，计算公式为：

H_c＝pinv(H_f)

y_f＝H_cd

式中，pinv(H_f)表示求取矩阵H_f的Moore-Penrose伪逆；

C、采集10个阀控缸机构中液压缸的压差信号f，计算冗余力补偿信号x_f，具体包括以下步骤：

C1、D为冗余力分解矩阵，是10×8的矩阵，它们满足如下表达式：

H_cD＝0

选取满足上述方程组的一个解作为矩阵D；

C2、冗余力合成矩阵Q为8×10的矩阵，它的计算公式如下：

Q＝D^T

式中上标“T”表示矩阵转置；

C3、计算信号r:

r＝QA_ef

r为8×1的列向量，A_e为阀控缸机构中液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积；

C4、将r作为PID控制器的输入信号。将信号r经过PID控制器,得到输出信号s；

C5、计算冗余力补偿信号x_f，x_f为10×1的列向量：

x_f＝Ds

D、将信号x_o减去信号x_f，所得结果作为10个阀控缸机构的驱动信号，输入到10个阀控缸机构中，驱动台阵模拟系统运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过采集10个阀控缸机构中液压缸的压差信号，计算出冗余力补偿信号，利用冗余力补偿信号调节阀控缸机构的驱动信号，使各阀控缸机构中的冗余力减小到额定供油压力的15％以内。

2、本发明所有的步骤均可通过软件编程实现。在CPU为Intel PD 2.6G、内存为1G的Advantech工控机IPC-610上测试，算法的运行周期小于1ms，能够满足台阵振动模拟系统的实验要求，所以本发明易于通过计算机数字控制实现。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明采用的台阵模拟系统的结构示意图。

图3是图2的主视图。

图4是图2的俯视图。

图中：1、1号阀控缸机构，2、2号阀控缸机构，3、3号阀控缸机构，4、4 号阀控缸机构，5、5号阀控缸机构，6、6号阀控缸机构，7、7号阀控缸机构，8、8号阀控缸机构，9、9号阀控缸机构，10、10号阀控缸机构，11、1号反力墙，12、2号反力墙，13、3号反力墙，14、桥墩A，15、桥墩B，16、桥板， 17、上平台A，18、上平台B，19、下平台，20、支座，21、大虎克铰。

y_o为给定的台阵模拟系统位姿指令信号，y_f为台阵模拟系统反馈的位姿信号， w为PI控制器输出信号，H_f为自由度分解矩阵，H_c为自由度合成矩阵，x_o为w 右乘自由度分解矩阵H_f的乘积，d为10个阀控缸机构的位移信号，Q为冗余力合成矩阵，D为冗余力分解矩阵，f为10个阀控缸机构中液压缸的压差信号，r 为f右乘矩阵Q的乘积，s为PID控制器的输出信号，x_f为s右乘矩阵D的乘积、同时也是冗余力补偿信号。

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1-4所示，一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法，所述的两自由度双电液振动台台阵模拟系统包括下平台19、六自由度振动台、两自由度振动台、桥墩A14、桥墩 B15和桥板16。

所述的六自由度振动台包括三个水平向阀控缸机构、三个垂直向阀控缸机构、上平台B18和三个反力墙，所述的三个水平向阀控缸机构分别为5号阀控缸机构5、6号阀控缸机构6和7号阀控缸机构7，所述的三个垂直向阀控缸机构分别为8号阀控缸机构8、9号阀控缸机构9和10号阀控缸机构10，所述的三个反力墙为1号反力墙11、2号反力墙12和3号反力墙13，所述的5号阀控缸机构5、6号阀控缸机构6和7号阀控缸机构7的外端分别通过各自的虎克铰与1号反力墙11、2号反力墙12和3号反力墙13连接，所述的1号反力墙11、 2号反力墙12和3号反力墙13的下端均固定在下平台19上；所述的5号阀控缸机构5、6号阀控缸机构6和7号阀控缸机构7的内端分别通过各自的虎克铰与上平台B18连接；所述的8号阀控缸机构8、9号阀控缸机构9和10号阀控缸机构10的下端分别通过各自的虎克铰与下平台19连接；所述的8号阀控缸机构8、9号阀控缸机构9和10号阀控缸机构10的上端分别通过各自的虎克铰与上平台B18连接。

所述的两自由度振动台包括四个垂直向阀控缸机构、上平台A17、大虎克铰21和支座20，所述的四个垂直向阀控缸机构分别为1号阀控缸机构1、2号阀控缸机构2、3号阀控缸机构3和4号阀控缸机构4，所述的1号阀控缸机构 1、2号阀控缸机构2、3号阀控缸机构3和4号阀控缸机构4的下端分别通过各自的虎克铰与下平台19连接、上端分别通过各自的虎克铰与上平台A17连接；所述的大虎克铰21的上端与上平台A17连接、下端与支座20连接，所述的支座20固定在下平台19上。

所述的上平台A17通过桥墩A14和桥板16连接；所述的上平台B18通过桥墩B15和桥板16连接。

所述的位姿控制方法，包括以下步骤：

A、以两自由度振动台的大虎克铰21中心O为控制点，在控制点建立O-XYZ 坐标系。OX轴正方向由O点指向1号阀控缸机构1上端虎克铰铰点中心与2 号阀控缸机构2上端虎克铰铰点中心的连线的中点，且与该连线垂直；OZ轴正方向由O点垂直指向下平台19，OX、OY和OZ三个坐标轴的方向满足右手定则；两自由度双电液振动台台阵模拟系统有两个自由度，分别是绕OX轴转动的横摇运动和绕OY轴转动的纵摇运动。

给定台阵模拟系统两自由度位姿指令信号为y_o，y_o是一个2×1的列向量，即：

y_o＝(Rx Ry)^T

式中，上标“T”表示转置，Rx是横摇角度，Ry是纵摇角度。

给定y_f的初始值为(0 0)^T，用y_o减去台阵模拟系统反馈的位姿信号y_f，将所得的偏差信号作为PI控制器的输入信号。PI控制器的输出信号为w，w是一个 2×1的列向量。将信号w右乘自由度分解矩阵H_f，输出信号即为x_o，x_o是一个 10×1的列向量，计算公式为：

x_o＝H_fw

式中，H_f为10×2的矩阵：

式中，d1为控制点O与5号阀控缸机构5内端的虎克铰铰点中心A5的连线在OZ轴上的投影长度；d2为控制点O与3号阀控缸机构3上端的虎克铰铰点中心A3的连线在OX轴上的投影长度；d3为控制点O与1号阀控缸机构1 上端的虎克铰铰点中心A1连线在OX轴上的投影长度；d4为控制点O与1号阀控缸机构1上端的虎克铰铰点中心A1的连线在OY轴上的投影长度；d5为控制点O与9号阀控缸机构9上端的虎克铰铰点中心A9的连线在OY轴上的投影长度；d6为控制点O与10号阀控缸机构10上端的虎克铰铰点中心A10的连线在OY轴上的投影长度；d7为控制点O与8号阀控缸机构8上端的虎克铰铰点中心A8的连线在OX轴上的投影长度；

B、采集10个阀控缸机构中液压缸的位移信号d，d为10×1的列向量。将位移信号d右乘自由度合成矩阵H_c，得到台阵模拟系统反馈的位姿信号y_f，y_f为2×1的列向量。自由度合成矩阵H_c为2×10的矩阵，计算公式为：

H_c＝pinv(H_f)

y_f＝H_cd

式中，pinv(H_f)表示求取矩阵H_f的Moore-Penrose伪逆；

C、采集10个阀控缸机构中液压缸的压差信号f，计算冗余力补偿信号x_f，具体包括以下步骤：

C1、D为冗余力分解矩阵，是10×8的矩阵，它们满足如下表达式：

H_cD＝0

选取满足上述方程组的一个解作为矩阵D；

C2、冗余力合成矩阵Q为8×10的矩阵，它的计算公式如下：

Q＝D^T

式中上标“T”表示矩阵转置；

C3、计算信号r:

r＝Q A_ef

r为8×1的列向量，A_e为阀控缸机构中液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积；

C4、将r作为PID控制器的输入信号。将信号r经过PID控制器,得到输出信号s；

C5、计算冗余力补偿信号x_f，x_f为10×1的列向量：

x_f＝Ds

D、将信号x_o减去信号x_f，所得结果作为10个阀控缸机构的驱动信号，输入到10个阀控缸机构中，驱动台阵模拟系统运动。

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)

1.一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法，所述的两自由度双电液振动台台阵模拟系统包括下平台(19)、六自由度振动台、两自由度振动台、桥墩A(14)、桥墩B(15)和桥板(16)；

所述的六自由度振动台包括三个水平向阀控缸机构、三个垂直向阀控缸机构、上平台B(18)和三个反力墙，所述的三个水平向阀控缸机构分别为5号阀控缸机构(5)、6号阀控缸机构(6)和7号阀控缸机构(7)，所述的三个垂直向阀控缸机构分别为8号阀控缸机构(8)、9号阀控缸机构(9)和10号阀控缸机构(10)，所述的三个反力墙为1号反力墙(11)、2号反力墙(12)和3号反力墙(13)，所述的5号阀控缸机构(5)、6号阀控缸机构(6)和7号阀控缸机构(7)的外端分别通过各自的虎克铰与1号反力墙(11)、2号反力墙(12)和3号反力墙(13)连接，所述的1号反力墙(11)、2号反力墙(12)和3号反力墙(13)的下端均固定在下平台(19)上；所述的5号阀控缸机构(5)、6号阀控缸机构(6)和7号阀控缸机构(7)的内端分别通过各自的虎克铰与上平台B(18)连接；所述的8号阀控缸机构(8)、9号阀控缸机构(9)和10号阀控缸机构(10)的下端分别通过各自的虎克铰与下平台(19)连接；所述的8号阀控缸机构(8)、9号阀控缸机构(9)和10号阀控缸机构(10)的上端分别通过各自的虎克铰与上平台B(18)连接；

所述的两自由度振动台包括四个垂直向阀控缸机构、上平台A(17)、大虎克铰(21)和支座(20)，所述的四个垂直向阀控缸机构分别为1号阀控缸机构(1)、2号阀控缸机构(2)、3号阀控缸机构(3)和4号阀控缸机构(4)，所述的1号阀控缸机构(1)、2号阀控缸机构(2)、3号阀控缸机构(3)和4号阀控缸机构(4)的下端分别通过各自的虎克铰与下平台(19)连接、上端分别通过各自的虎克铰与上平台A(17)连接；所述的大虎克铰(21)的上端与上平台A(17)连接、下端与支座(20)连接，所述的支座(20)固定在下平台(19)上；

所述的上平台A(17)通过桥墩A(14)和桥板(16)连接；所述的上平台B(18)通过桥墩B(15)和桥板(16)连接；

其特征在于：所述的位姿控制方法，包括以下步骤：

A、以两自由度振动台的大虎克铰(21)中心O为控制点，在控制点建立O-XYZ坐标系；OX轴正方向由O点指向1号阀控缸机构(1)上端虎克铰铰点中心与2号阀控缸机构(2)上端虎克铰铰点中心的连线的中点，且与该连线垂直；OZ轴正方向由O点垂直指向下平台(19)，OX、OY和OZ三个坐标轴的方向满足右手定则；两自由度双电液振动台台阵模拟系统有两个自由度，分别是绕OX轴转动的横摇运动和绕OY轴转动的纵摇运动；

给定台阵模拟系统两自由度位姿指令信号为y_o，y_o是一个2×1的列向量，即：

y_o＝(Rx Ry)^T

式中，上标“T”表示转置，Rx是横摇角度，Ry是纵摇角度；

给定y_f的初始值为(0 0)^T，用y_o减去台阵模拟系统反馈的位姿信号y_f，将所得的偏差信号作为PI控制器的输入信号；PI控制器的输出信号为w，w是一个2×1的列向量；将信号w右乘自由度分解矩阵H_f，输出信号即为x_o，x_o是一个10×1的列向量，计算公式为：

x_o＝H_fw

式中，H_f为10×2的矩阵：

式中，d1为控制点O与5号阀控缸机构(5)内端的虎克铰铰点中心A5的连线在OZ轴上的投影长度；d2为控制点O与3号阀控缸机构(3)上端的虎克铰铰点中心A3的连线在OX轴上的投影长度；d3为控制点O与1号阀控缸机构(1)上端的虎克铰铰点中心A1连线在OX轴上的投影长度；d4为控制点O与1号阀控缸机构(1)上端的虎克铰铰点中心A1的连线在OY轴上的投影长度；d5为控制点O与9号阀控缸机构(9)上端的虎克铰铰点中心A9的连线在OY轴上的投影长度；d6为控制点O与10号阀控缸机构(10)上端的虎克铰铰点中心A10的连线在OY轴上的投影长度；d7为控制点O与8号阀控缸机构(8)上端的虎克铰铰点中心A8的连线在OX轴上的投影长度；

B、采集10个阀控缸机构中液压缸的位移信号d，d为10×1的列向量；将位移信号d右乘自由度合成矩阵H_c，得到台阵模拟系统反馈的位姿信号y_f，y_f为2×1的列向量；自由度合成矩阵H_c为2×10的矩阵，计算公式为：

H_c＝pinv(H_f)

y_f＝H_cd

式中，pinv(H_f)表示求取矩阵H_f的Moore-Penrose伪逆；

C、采集10个阀控缸机构中液压缸的压差信号f，计算冗余力补偿信号x_f，具体包括以下步骤：

C1、D为冗余力分解矩阵，是10×8的矩阵，它们满足如下表达式：

H_cD＝0

选取满足上述方程组的一个解作为矩阵D；

C2、冗余力合成矩阵Q为8×10的矩阵，它的计算公式如下：

Q＝D^T

式中上标“T”表示矩阵转置；

C3、计算信号r：

r＝QA_ef

r为8×1的列向量，A_e为阀控缸机构中液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积；

C4、将r作为PID控制器的输入信号；将信号r经过PID控制器,得到输出信号s；

C5、计算冗余力补偿信号x_f，x_f为10×1的列向量：

x_f＝Ds

D、将信号x_o减去信号x_f，所得结果作为10个阀控缸机构的驱动信号，输入到10个阀控缸机构中，驱动台阵模拟系统运动。

Images