CN110044568A - 一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统干扰力补偿方法 - 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干扰力补偿方法，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。本发明通过采集10个阀控缸机构中液压缸两腔的压差信号和液压缸活塞杆的加速度信号，通过计算得到干扰力补偿信号。利用干扰力补偿信号调节阀控缸机构的驱动信号，进而达到提高台阵模拟系统控制精度的目的。应用本发明提出的干扰力补偿方法，可将横摇自由度位置闭环传递函数幅频特性在18Hz附近6dB的波动减小到2dB以内，将纵摇自由度位置闭环传递函数幅频特性在35Hz附近16dB的波动减小到4dB以内，明显提高了台阵模拟系统的控制精度。

Description

一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统干扰力补偿方法

技术领域

本发明涉及两自由度双电液振动台，特别是一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的干扰力补偿方法。

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复杂，单个振动台振动模拟试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。

现有的台阵振动模拟系统，在设计过程中均假设系统有刚性基础，且各振动台与负载之间均为刚性连接。但当负载重量较大时，上述假设并不成立。系统的基础存在弹性，各振动台与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，极大降低了台阵振动模拟系统的控制精度。

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。现有的针对单个多自由度运动平台的干扰力补偿控制方法无法直接应用于两自由度双电液振动台台阵模拟系统中。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，横摇自由度位置闭环传递函数幅频特性在18Hz附近出现了6dB的波动，纵摇自由度位置闭环传递函数幅频特性在35Hz附近出现了16dB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，本发明要设计一种可以有效的降低干扰力对控制精度影响的两自由度双电液振动台台阵模拟系统干扰力补偿方法，以提高给定信号的再现精度。

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干扰力补偿方法，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，所述三个反力墙分别为1号反力墙、2号反力墙、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，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。

所述的干扰力补偿方法，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OXYZ坐标系。OX轴正方向由O点指向1号阀控缸机构方向，且OX轴与1号阀控缸机构及2号阀控缸机构上铰点中心的连线垂直；OZ轴正方向垂直指向下平台；OX、OY及OZ三个坐标轴的方向满足右手定则。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、横摇角为R_x，绕OY轴转动的纵摇运动、纵摇角为R_y。给定台阵模拟系统两个自由度位姿指令信号为y_r，y_r为2×1列向量：

y_r＝[R_x R_y]^T

式中，上标“T”表示转置。

用y_r减去台阵模拟系统位姿反馈信号y_f，y_f的初始值为[0 0]^T。将所得的偏差信号作为PID控制器的输入信号。PID控制器的输出信号为w，w是2×1列向量。将PID控制器的输出信号w右乘自由度分解矩阵H_f，得到信号x_o，x_o为10×1列向量，计算公式为：

x_o＝H_fw

式中，H_f为10×2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活塞杆的位移信号d，d为10×1列向量。将位移信号d右乘合成矩阵控制H_c，得到台阵模拟系统两自由度位姿反馈信号y_f，y_f为2×1列向量。自由度合成矩阵H_c为2×10矩阵，计算公式为：

H_c＝pinv(H_f)

y_f＝H_c·d

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两腔的压差信号P_L，P_L为10×1列向量，经过冗余力协调模块，得到冗余力补偿信号x_f，具体的计算公式为：

Ff＝A_e·P_L-H_f·(H_c·A_e·P_L)

式中，K_i为比例增益、i＝1～10，F_f为台阵模拟系统的冗余力，为10×1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；

D、采集10个阀控缸机构中液压缸两腔的压差信号P_L和10个阀控缸机构中液压缸活塞杆的加速度信号a，a为10×1列向量。将P_L和a作为干扰力补偿模块的输入信号，计算干扰力补偿信号x_d，x_d为10×1的列向量。具体计算公式为：

式中，K_jj为各阀控缸机构的补偿增益、j＝0～9，F_d为台阵模拟系统干扰力，为10×1列向量，G为补偿环节传递函数。

D1、台阵模拟系统干扰力F_d的计算公式为：

式中，M为上平台A、上平台B、桥墩A、桥墩B和桥板在工作空间的集中质量矩阵。

D2、补偿环节传递函数G的表达式为：

式中，K_ce为阀控缸机构中伺服阀的总泄漏系数，V_t为阀控缸机构中液压缸两腔的总容积，β_e为油液等效体积弹性模数，s为拉普拉斯变换中的复变量，K_q为阀控缸机构中伺服阀的流量增益，f为转折频率。

E、用干扰力补偿信号x_d减去冗余力补偿信号x_f，求得信号x₁，计算公式为：

x₁＝x_d-x_f

F、将信号x₀加上信号x₁，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，驱动两自由度双电液振动台台阵模拟系统运动。

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两腔的压差信号和液压缸活塞杆的加速度信号，通过计算得到干扰力补偿信号。利用干扰力补偿信号调节阀控缸机构的驱动信号，进而达到提高台阵模拟系统控制精度的目的。应用本发明提出的干扰力补偿方法，可将横摇自由度位置闭环传递函数幅频特性在18Hz附近6dB的波动减小到2dB以内，将纵摇自由度位置闭环传递函数幅频特性在35Hz附近16dB的波动减小到4dB以内，明显提高了台阵模拟系统的控制精度。

2.本发明的所有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，能够满足台阵模拟系统的实验要求，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、下平台，15、上平台B，16、桥墩B，17、桥板，18、桥墩A，19、上平台A，20、支座，21、大虎克铰。

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干扰力补偿方法，所述的两自由度双电液振动台台阵模拟系统包括下平台14、六自由度振动台、两自由度振动台、桥墩A18、桥墩B16和桥板17。

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B15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，所述三个反力墙分别为1号反力墙11、2号反力墙12、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14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B15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14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B15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A19、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14连接，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的上端分别通过各自的虎克铰与上平台A19连接；所述的大虎克铰21的上端与上平台A19连接、下端与支座20连接，所述的支座20固定在下平台14上。

所述的上平台A19通过桥墩A18和桥板17连接；所述的上平台B15通过桥墩B16和桥板17连接。

所述的干扰力补偿方法，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OXYZ坐标系。OX轴正方向由O点指向1号阀控缸机构1方向，且OX轴与1号阀控缸机构1及2号阀控缸机构2上铰点中心的连线垂直；OZ轴正方向垂直指向下平台14；OX、OY及OZ三个坐标轴的方向满足右手定则。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、横摇角为R_x，绕OY轴转动的纵摇运动、纵摇角为R_y。给定台阵模拟系统两个自由度位姿指令信号为y_r，y_r为2×1列向量：

y_r＝[R_x R_y]^T

式中，上标“T”表示转置。

用y_r减去台阵模拟系统位姿反馈信号y_f，y_f的初始值为[0 0]^T。将所得的偏差信号作为PID控制器的输入信号。PID控制器的输出信号为w，w是2×1列向量。将PID控制器的输出信号w右乘自由度分解矩阵H_f，得到信号x_o，x_o为10×1列向量，计算公式为：

x_o＝H_fw

式中，H_f为10×2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活塞杆的位移信号d，d为10×1列向量。将位移信号d右乘合成矩阵控制H_c，得到台阵模拟系统两自由度位姿反馈信号y_f，y_f为2×1列向量。自由度合成矩阵H_c为2×10矩阵，计算公式为：

H_c＝pinv(H_f)

y_f＝H_c·d

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

F、采集10个阀控缸机构中液压缸两腔的压差信号P_L，P_L为10×1列向量，经过冗余力协调模块，得到冗余力补偿信号x_f，具体的计算公式为：

Ff＝A_e·P_L-H_f·(H_c·A_e·P_L)

式中，K_i为比例增益、i＝1～10，F_f为台阵模拟系统的冗余力，为10×1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；

G、采集10个阀控缸机构中液压缸两腔的压差信号P_L和10个阀控缸机构中液压缸活塞杆的加速度信号a，a为10×1列向量。将P_L和a作为干扰力补偿模块的输入信号，计算干扰力补偿信号x_d，x_d为10×1的列向量。具体计算公式为：

式中，K_jj为各阀控缸机构的补偿增益、j＝0～9，F_d为台阵模拟系统干扰力，为10×1列向量，G为补偿环节传递函数。

D1、台阵模拟系统干扰力F_d的计算公式为：

式中，M为上平台A19、上平台B15、桥墩A18、桥墩B16和桥板17在工作空间的集中质量矩阵。

D2、补偿环节传递函数G的表达式为：

式中，K_ce为阀控缸机构中伺服阀的总泄漏系数，V_t为阀控缸机构中液压缸两腔的总容积，β_e为油液等效体积弹性模数，s为拉普拉斯变换中的复变量，K_q为阀控缸机构中伺服阀的流量增益，f为转折频率。

H、用干扰力补偿信号x_d减去冗余力补偿信号x_f，求得信号x₁，计算公式为：

x₁＝x_d-x_f

F、将信号x₀加上信号x₁，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，驱动两自由度双电液振动台台阵模拟系统运动。

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干扰力补偿方法，所述的两自由度双电液振动台台阵模拟系统包括下平台(14)、六自由度振动台、两自由度振动台、桥墩A(18)、桥墩B(16)和桥板(17)；

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(15)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)，所述三个反力墙分别为1号反力墙(11)、2号反力墙(12)、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(14)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(15)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(14)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(15)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(19)、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(14)连接，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)的上端分别通过各自的虎克铰与上平台A(19)连接；所述的大虎克铰(21)的上端与上平台A(19)连接、下端与支座(20)连接，所述的支座(20)固定在下平台(14)上；

所述的上平台A(19)通过桥墩A(18)和桥板(17)连接；所述的上平台B(15)通过桥墩B(16)和桥板(17)连接；

其特征在于：所述的干扰力补偿方法，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OXYZ坐标系；OX轴正方向由O点指向1号阀控缸机构(1)方向，且OX轴与1号阀控缸机构(1)及2号阀控缸机构(2)上铰点中心的连线垂直；OZ轴正方向垂直指向下平台(14)；OX、OY及OZ三个坐标轴的方向满足右手定则；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、横摇角为R_x，绕OY轴转动的纵摇运动、纵摇角为R_y；给定台阵模拟系统两个自由度位姿指令信号为y_r，y_r为2×1列向量：

y_r＝[R_x R_y]^T

式中，上标“T”表示转置；

用y_r减去台阵模拟系统位姿反馈信号y_f，y_f的初始值为[0 0]^T；将所得的偏差信号作为PID控制器的输入信号；PID控制器的输出信号为w，w是2×1列向量；将PID控制器的输出信号w右乘自由度分解矩阵H_f，得到信号x_o，x_o为10×1列向量，计算公式为：

x_o＝H_fw

式中，H_f为10×2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活塞杆的位移信号d，d为10×1列向量；将位移信号d右乘合成矩阵控制H_c，得到台阵模拟系统两自由度位姿反馈信号y_f，y_f为2×1列向量；自由度合成矩阵H_c为2×10矩阵，计算公式为：

H_c＝pinv(H_f)

yf＝H_c·d

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两腔的压差信号P_L，P_L为10×1列向量，经过冗余力协调模块，得到冗余力补偿信号x_f，具体的计算公式为：

Ff＝A_e·P_L-Hf·(H_c·A_e·P_L)

式中，K_i为比例增益、i＝1～10，F_f为台阵模拟系统的冗余力，为10×1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；

D、采集10个阀控缸机构中液压缸两腔的压差信号P_L和10个阀控缸机构中液压缸活塞杆的加速度信号a，a为10×1列向量；将P_L和a作为干扰力补偿模块的输入信号，计算干扰力补偿信号x_d，x_d为10×1的列向量；具体计算公式为：

式中，K_jj为各阀控缸机构的补偿增益、j＝0～9，F_d为台阵模拟系统干扰力，为10×1列向量，G为补偿环节传递函数；

D1、台阵模拟系统干扰力F_d的计算公式为：

式中，M为上平台A(19)、上平台B(15)、桥墩A(18)、桥墩B(16)和桥板(17)在工作空间的集中质量矩阵；

D2、补偿环节传递函数G的表达式为：

式中，K_ce为阀控缸机构中伺服阀的总泄漏系数，V_t为阀控缸机构中液压缸两腔的总容积，β_e为油液等效体积弹性模数，s为拉普拉斯变换中的复变量，K_q为阀控缸机构中伺服阀的流量增益，f为转折频率；

E、用干扰力补偿信号x_d减去冗余力补偿信号x_f，求得信号x₁，计算公式为：

x₁＝x_d-x_f

F、将信号x₀加上信号x₁，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，驱动两自由度双电液振动台台阵模拟系统运动。