CN110220661A - 一种两自由度电液振动台自抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度电液振动台自抗扰控制方法，所述的两自由度电液振动台包括两个垂直向阀控缸机构、大虎克铰、支座、上平台和下平台。本发明通过采集两个阀控缸机构中各液压缸活塞杆的位置、速度和加速度信号，通过计算得到广义干扰补偿信号。利用广义干扰补偿信号调节阀控缸机构的驱动信号，进而达到提高振动台系统控制精度的目的。应用本发明提出的控制方法，可将横摇自由度加速度闭环传递函数幅频特性在50Hz频段内10dB的波动减小到3dB以内，明显提高了两自由度电液振动台的控制精度。本发明的算法的运行周期小于1ms，能够满足振动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。

Description

一种两自由度电液振动台自抗扰控制方法

技术领域

本发明涉及振动模拟实验技术，特别是一种两自由度电液振动台自抗扰控制方法。

背景技术

振动模拟实验通过在实验室中再现实测的环境振动条件，考核试件在振动激励下的结构可靠性和操纵可靠性，目前被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等工业领域和部门。电液振动台易于实现低频大位移、大推力的振动激励，结构牢固，负载能力大，常用于大型结构或试件的振动模拟实验。电液振动台的控制方法是电液振动台的核心技术。如果控制方法选取不当，将极大降低环境振动条件的再现精度，严重影响对试件可靠性的定量评估。

传统的两自由度电液振动台由2套阀控缸机构驱动，具有横摇和纵摇两个运动自由度。现有的针对单个阀控缸机构的干扰补偿控制方法无法直接应用于两自由度电液振动台系统中。分析表明，采用传统控制方法时，受模型不确定性及外干扰力等因素的影响，横摇自由度加速度闭环传递函数幅频特性在50Hz频段内出现了约10dB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模型不确定性及干扰力对控制精度影响的两自由度电液振动台自抗扰控制方法，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：一种两自由度电液振动台自抗扰控制方法，所述的两自由度电液振动台包括两个垂直向阀控缸机构、大虎克铰、支座、上平台和下平台；所述的两个垂直向阀控缸机构分别为1号阀控缸机构和2号阀控缸机构；所述的1号阀控缸机构和2号阀控缸机构的下端分别通过各自的球铰与下平台连接、上端分别通过各自的球铰与上平台连接，所述的上平台通过大虎克铰与支座相连，所述的支座下端与下平台固定连接。所述的上平台绕大虎克铰中心进行横摇和纵摇运动。

设大虎克铰中心为控制点，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。d₁为1号阀控缸机构与2号阀控缸机构上端球铰中心的连线距离的一半，d₂为大虎克铰中心与1号阀控缸机构上端球铰中心的连线在OX轴上的投影长度。

具体的控制方法，包括以下步骤：

A、输入两自由度电液振动台的加速度指令信号Q₀，Q₀为2×1列向量，如下式：

Q₀＝[Rx₀ Ry₀]^T

其中Rx₀为横摇自由度的加速度指令信号；Ry₀为纵摇自由度的加速度指令信号。将Q₀作为顺馈模块的输入信号，计算顺馈模块的输出信号Q_r，Q_r为2×1列向量，如下式：

Q_r＝[Rx_r Ry_r]^T

算式为：

其中s为拉普拉斯变换算子，K_dr、K_vr、K_ar分别为位姿增益、速度增益、加速度增益，计算公式分别为：

其中ω_h为阀控缸机构的固有频率，K_v为阀控缸机构的开环增益。

B、采集两个阀控缸机构的活塞杆位置信号y，y为2×1列向量。信号y右乘矩阵J的逆矩阵，输出信号记为信号Q_f，Q_f为2×1列向量。算式为：

Q_f＝J^-1y

矩阵J的表达式为：

C、将信号Q_r与信号Q_f的偏差信号记为信号Q_e，Q_e为2×1列向量。算式为：

Q_e＝Q_r-Q_f

D、信号Q_e右乘矩阵K，输出信号记为信号Q_c，Q_c为2×1列向量。算式为：

Q_c＝KQ_e

矩阵K的表达式为：

其中K₁、K₂为比例增益。

E、信号Q_c右乘矩阵J，输出信号记为x_c，x_c为2×1列向量。算式为：

x_c＝JQ_c

F、采集两个阀控缸机构的活塞杆速度信号v，v为2×1列向量。将信号x_c与信号v的偏差信号记为x_q，x_q为2×1列向量。算式为：

x_q＝x_c-v

G、信号x_q乘以增益λ²，输出信号记为x_p，x_p为2×1列向量。算式为：

x_p＝λ²x_q

其中λ为常值，且λ＞ω_h。

H、采集两个阀控缸机构的活塞杆加速度信号a，a为2×1列向量。信号a乘以增益2λ，输出信号记为信号x_a，x_a为2×1列向量。算式为：

x_a＝2λa

I、将信号x_p与信号x_a的偏差信号记为信号x_u，x_u为2×1列向量。算式为：

x_u＝x_p-x_a

J、采集延时模块的输出信号u′，u′为2×1列向量。将信号v及信号u′作为广义干扰观测模块的输入信号，计算广义干扰观测模块的输出信号f_L，f_L为2×1列向量。算式为：

其中β₁、β₂、β₃为增益系数，b₀为常值，b₀的计算公式为：

其中A为阀控缸机构活塞与活塞杆之间的环形有效面积，单位为m²；V_t为阀控缸机构中液压缸的两个腔室的总容积，单位为m³；β_e为油液等效体积弹性模数，单位为N·Pa/m²，m_t为上平台的质量，单位为kg。

K、将信号x_u与信号f_L的偏差信号记为信号x_b，x_b为2×1列向量。算式为：

x_b＝x_u-f_L

L、将信号x_b乘以增益b₀，计算两个阀控缸机构的驱动信号u，u为2×1列向量。算式为：

u＝b₀x_b

M、由信号u驱动两个阀控缸机构运动，进而驱动上平台运动。同时将信号u输入到延时模块中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过采集两个阀控缸机构中各液压缸活塞杆的位置、速度和加速度信号，通过计算得到广义干扰补偿信号。利用广义干扰补偿信号调节阀控缸机构的驱动信号，进而达到提高振动台系统控制精度的目的。应用本发明提出的控制方法，可将横摇自由度加速度闭环传递函数幅频特性在50Hz频段内10dB的波动减小到3dB以内，明显提高了两自由度电液振动台的控制精度。

2、本发明的所有步骤均可通过软件编程实现。在CPU为IntelPD 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，能够满足振动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是两自由度电液振动台的结构示意图。

图2是两自由度电液振动台的俯视简图。

图3是本发明的流程图。

图中：1、1号阀控缸机构，2、2号阀控缸机构，3、支座，4、大虎克铰，5、上平台，6、下平台。

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，一种两自由度电液振动台自抗扰控制方法，所述的两自由度电液振动台包括两个垂直向阀控缸机构、大虎克铰4、支座3、上平台5和下平台6；所述的两个垂直向阀控缸机构分别为1号阀控缸机构1和2号阀控缸机构2；所述的1号阀控缸机构1和2号阀控缸机构2的下端分别通过各自的球铰与下平台6连接、上端分别通过各自的球铰与上平台5连接，所述的上平台5通过大虎克铰4与支座3相连，所述的支座3下端与下平台6固定连接。所述的上平台5绕大虎克铰4中心进行横摇和纵摇运动。

设大虎克铰4中心为控制点，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6；OX、OY及OZ三个坐标轴的方向满足右手定则。d₁为1号阀控缸机构1与2号阀控缸机构2上端球铰中心的连线距离的一半，d₂为大虎克铰4中心与1号阀控缸机构1上端球铰中心的连线在OX轴上的投影长度。

具体的控制方法，包括以下步骤：

A、输入两自由度电液振动台的加速度指令信号Q₀，Q₀为2×1列向量，如下式：

Q₀＝[Rx₀ Ry₀]^T

其中Rx₀为横摇自由度的加速度指令信号；Ry₀为纵摇自由度的加速度指令信号。将Q₀作为顺馈模块的输入信号，计算顺馈模块的输出信号Q_r，Q_r为2×1列向量，如下式：

Q_r＝[Rx_r Ry_r]^T

算式为：

其中s为拉普拉斯变换算子，K_dr、K_vr、K_ar分别为位姿增益、速度增益、加速度增益，计算公式分别为：

其中ω_h为阀控缸机构的固有频率，K_v为阀控缸机构的开环增益。

B、采集两个阀控缸机构的活塞杆位置信号y，y为2×1列向量。信号y右乘矩阵J的逆矩阵，输出信号记为信号Q_f，Q_f为2×1列向量。算式为：

Q_f＝J^-1y

矩阵J的表达式为：

C、将信号Q_r与信号Q_f的偏差信号记为信号Q_e，Q_e为2×1列向量。算式为：

Q_e＝Q_r-Q_f

D、信号Q_e右乘矩阵K，输出信号记为信号Q_c，Q_c为2×1列向量。算式为：

Q_c＝KQ_e

矩阵K的表达式为：

其中K₁、K₂为比例增益。

E、信号Q_c右乘矩阵J，输出信号记为x_c，x_c为2×1列向量。算式为：

x_c＝JQ_c

F、采集两个阀控缸机构的活塞杆速度信号v，v为2×1列向量。将信号x_c与信号v的偏差信号记为x_q，x_q为2×1列向量。算式为：

x_q＝x_c-v

G、信号x_q乘以增益λ²，输出信号记为x_p，x_p为2×1列向量。算式为：

x_p＝λ²x_q

其中λ为常值，且λ＞ω_h。

H、采集两个阀控缸机构的活塞杆加速度信号a，a为2×1列向量。信号a乘以增益2λ，输出信号记为信号x_a，x_a为2×1列向量。算式为：

x_a＝2λa

I、将信号x_p与信号x_a的偏差信号记为信号x_u，x_u为2×1列向量。算式为：

x_u＝x_p-x_a

J、采集延时模块的输出信号u′，u′为2×1列向量。将信号v及信号u′作为广义干扰观测模块的输入信号，计算广义干扰观测模块的输出信号f_L，f_L为2×1列向量。算式为：

其中β₁、β₂、β₃为增益系数，b₀为常值，b₀的计算公式为：

其中A为阀控缸机构活塞与活塞杆之间的环形有效面积，单位为m²；V_t为阀控缸机构中液压缸的两个腔室的总容积，单位为m³；β_e为油液等效体积弹性模数，单位为N·Pa/m²，m_t为上平台5的质量，单位为kg。

K、将信号x_u与信号f_L的偏差信号记为信号x_b，x_b为2×1列向量。算式为：

x_b＝x_u-f_L

L、将信号x_b乘以增益b₀，计算两个阀控缸机构的驱动信号u，u为2×1列向量。算式为：

u＝b₀x_b

M、由信号u驱动两个阀控缸机构运动，进而驱动上平台5运动。同时将信号u输入到延时模块中。

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)

1.一种两自由度电液振动台自抗扰控制方法，所述的两自由度电液振动台包括两个垂直向阀控缸机构、大虎克铰(4)、支座(3)、上平台(5)和下平台(6)；所述的两个垂直向阀控缸机构分别为1号阀控缸机构(1)和2号阀控缸机构(2)；所述的1号阀控缸机构(1)和2号阀控缸机构(2)的下端分别通过各自的球铰与下平台(6)连接、上端分别通过各自的球铰与上平台(5)连接，所述的上平台(5)通过大虎克铰(4)与支座(3)相连，所述的支座(3)下端与下平台(6)固定连接；所述的上平台(5)绕大虎克铰(4)中心进行横摇和纵摇运动；

设大虎克铰(4)中心为控制点，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(6)；OX、OY及OZ三个坐标轴的方向满足右手定则；d₁为1号阀控缸机构(1)与2号阀控缸机构(2)上端球铰中心的连线距离的一半，d₂为大虎克铰(4)中心与1号阀控缸机构(1)上端球铰中心的连线在OX轴上的投影长度；

其特征在于：具体的控制方法，包括以下步骤：

A、输入两自由度电液振动台的加速度指令信号Q₀，Q₀为2×1列向量，如下式：

Q₀＝[Rx₀ Ry₀]^T

其中Rx₀为横摇自由度的加速度指令信号；Ry₀为纵摇自由度的加速度指令信号；将Q₀作为顺馈模块的输入信号，计算顺馈模块的输出信号Q_r，Q_r为2×1列向量，如下式：

Q_r＝[Rx_r Ry_r]^T

算式为：

其中s为拉普拉斯变换算子，K_dr、K_vr、K_ar分别为位姿增益、速度增益、加速度增益，计算公式分别为：

其中ω_h为阀控缸机构的固有频率，K_v为阀控缸机构的开环增益；

B、采集两个阀控缸机构的活塞杆位置信号y，y为2×1列向量；信号y右乘矩阵J的逆矩阵，输出信号记为信号Q_f，Q_f为2×1列向量；算式为：

Q_f＝J^-1y

矩阵J的表达式为：

C、将信号Q_r与信号Q_f的偏差信号记为信号Q_e，Q_e为2×1列向量；算式为：

Q_e＝Q_r-Q_f

D、信号Q_e右乘矩阵K，输出信号记为信号Q_c，Q_c为2×1列向量；算式为：

Q_c＝KQ_e

矩阵K的表达式为：

其中K₁、K₂为比例增益；

E、信号Q_c右乘矩阵J，输出信号记为x_c，x_c为2×1列向量；算式为：

x_c＝JQ_c

F、采集两个阀控缸机构的活塞杆速度信号v，v为2×1列向量；将信号x_c与信号v的偏差信号记为x_q，x_q为2×1列向量；算式为：

x_q＝x_c-v

G、信号x_q乘以增益λ²，输出信号记为x_p，x_p为2×1列向量；算式为：

x_p＝λ²x_q

其中λ为常值，且λ＞ω_h；

H、采集两个阀控缸机构的活塞杆加速度信号a，a为2×1列向量；信号a乘以增益2λ，输出信号记为信号x_a，x_a为2×1列向量；算式为：

x_a＝2λa

I、将信号x_p与信号x_a的偏差信号记为信号x_u，x_u为2×1列向量；算式为：

x_u＝x_p-x_a

J、采集延时模块的输出信号u′，u′为2×1列向量；将信号v及信号u′作为广义干扰观测模块的输入信号，计算广义干扰观测模块的输出信号f_L，f_L为2×1列向量；算式为：

其中β₁、β₂、β₃为增益系数，b₀为常值，b₀的计算公式为：

其中A为阀控缸机构活塞与活塞杆之间的环形有效面积，单位为m²；V_t为阀控缸机构中液压缸的两个腔室的总容积，单位为m³；β_e为油液等效体积弹性模数，单位为N·Pa/m²，m_t为上平台(5)的质量，单位为kg；

K、将信号x_u与信号f_L的偏差信号记为信号x_b，x_b为2×1列向量；算式为：

x_b＝x_u-f_L

L、将信号x_b乘以增益b₀，计算两个阀控缸机构的驱动信号u，u为2×1列向量；算式为：

u＝b₀x_b

M、由信号u驱动两个阀控缸机构运动，进而驱动上平台(5)运动；同时将信号u输入到延时模块中。