CN110361150B - 一种六自由度电液振动台自抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度电液振动台自抗扰控制方法，所述的电液六自由度电液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、上平台和下平台。本发明通过采集六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，可将横向自由度加速度闭环传递函数幅频特性在50Hz频段内12dB的波动减小到3dB以内，明显提高了六自由度电液振动台的控制精度。本发明的的运行周期小于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

一种六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，特别是一种六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。

传统的六自由度电液振动台由6套阀控缸机构驱动，具有横向、航向、升沉、横摇、纵摇和偏航六个运动自由度。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六自由度电液振动台系统中。分析表明，采用传统控制方法时，受模型不确定性及干扰力等因素的影响，横向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12dB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六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：一种六自由度电液振动台自抗扰控制方法，所述的六自由度电液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、上平台和下平台；所述的三个水平向阀控缸机构分别为1 号阀控缸机构、2号阀控缸机构和3号阀控缸机构；所述的三个垂直向阀控缸机构分别为4号阀控缸机构、5号阀控缸机构和6号阀控缸机构；所述的1号阀控缸机构、2号阀控缸机构和3号阀控缸机构的外端分别通过各自的虎克铰与1号缸支座、2号缸支座和3号缸支座连接，所述的1号阀控缸机构、2号阀控缸机构和3号阀控缸机构的内端分别通过各自的虎克铰与上平台连接，所述的1号缸支座、2号缸支座和3号缸支座的下端均固定在下平台上；所述的4号阀控缸机构、5号阀控缸机构和6号阀控缸机构的上端分别通过各自的虎克铰与上平台连接，所述的4号阀控缸机构、5号阀控缸机构和6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；

设平台的质心O为控制点，在控制点建立OXYZ坐标系。OX轴的正方向由O点指向5号阀控缸机构的上铰点方向。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。上平台有六个运动自由度，分别是绕OX轴转动的横摇运动、绕OY轴转动的纵摇运动、绕OZ轴转动的偏航运动、沿OX轴平动的横向运动、沿OY轴平动的航向运动和沿OZ轴平动的升沉运动。 d₁为4号阀控缸机构与6号阀控缸机构上铰点中心的连线距离的一半，d₂为上平台的中心与6号阀控缸机构上铰点中心的连线在OX轴上的投影长度，d₃为上平台的中心与5号阀控缸机构上铰点中心的连线在OX轴上的投影长度，d₄为 2号阀控缸机构与3号阀控缸机构上铰点中心的连线距离的一半。

具体的控制方法，包括以下步骤：

A、输入六自由度电液振动台的加速度指令信号Q₀，Q₀为6×1列向量，如下式：

Q₀＝[x₀ y₀ z₀ Rx₀ Ry₀ Rz₀]^T

其中x₀为横向自由度的加速度指令信号；y₀为航向自由度的加速度指令信号；z₀为升沉自由度的加速度指令信号；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；Rz₀为偏航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6×1列向量，如下式：

Q_r＝[x_r y_r z_r Rx_r Ry_r Rz_r]^T

算式为：

式中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、采集六个阀控缸机构的活塞杆位置信号y，y为6×1列向量。信号y右乘矩阵J的逆矩阵，输出信号记为Q_f，Q_f为6×1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6×1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6×1列向量。算式为：

Q_c＝KQ_e

矩阵K的表达式为：

其中K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆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6×1列向量。算式为：

x_c＝JQ_c

F、采集六个阀控缸机构的活塞杆速度信号v，v为6×1列向量。信号v乘以增益λ₃，所得结果记为信号x_d，x_d为6×1列向量。算式为：

x_d＝λ₃v

其中λ₃为增益系数。

G、将信号x_c与信号x_d的偏差信号记为x_q，x_q为6×1列向量。算式为：

x_q＝x_c-xd

H、信号x_q乘以增益λ₂，输出信号记为x_p，x_p为6×1列向量。算式为：

x_p＝λ₂x_q

其中λ₂为增益系数。

I、采集六个阀控缸机构的活塞杆加速度信号a，a为6×1列向量。信号a 乘以增益λ₁，输出信号记为x_a，x_a为6×1列向量。算式为:

x_a＝λ₁a

其中λ₁为增益系数。

J、将信号x_p与信号x_a的偏差信号记为信号x_u，x_u为6×1列向量。算式为：

x_u＝x_p-x_a

K、采集延时模块的输出信号u'，u'为6×1列向量。将信号y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6×1 列向量。算式为:

其中β₁、β₂、β₃、β₄为增益系数，B₀为6×6矩阵，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·P_a/m²；m_t为上平台的质量，单位为kg。

L、将信号x_u与信号f_L的偏差信号记为信号x_b，x_b为6×1列向量。算式为：

x_b＝x_u-f_L

M、将信号x_b右乘矩阵B₀，计算六个阀控缸机构的驱动信号u，u为6×1 列向量。算式为：

u＝B_Ox_b

N、由信号u驱动六个阀控缸机构运动，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.本发明通过采集六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，可将横向自由度加速度闭环传递函数幅频特性在50Hz频段内12dB 的波动减小到3dB以内，明显提高了六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是六自由度电液振动台的结构示意图。

图2是六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、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、上平台，8、下平台，9、1号缸支座，10、2号缸支座，11、3号缸支座；

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，一种六自由度电液振动台自抗扰控制方法，所述的六自由度电液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7和下平台8；所述的三个水平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和3号阀控缸机构3；所述的三个垂直向阀控缸机构分别为4号阀控缸机构4、5号阀控缸机构5和6号阀控缸机构6；所述的1号阀控缸机构1、2号阀控缸机构2和3号阀控缸机构3的外端分别通过各自的虎克铰与1号缸支座9、2号缸支座10和3号缸支座11连接，所述的1号阀控缸机构1、2号阀控缸机构2和3号阀控缸机构3的内端分别通过各自的虎克铰与上平台7连接，所述的1号缸支座9、2号缸支座10和3 号缸支座11的下端均固定在下平台8上；所述的4号阀控缸机构4、5号阀控缸机构5和6号阀控缸机构6的上端分别通过各自的虎克铰与上平台7连接，所述的4号阀控缸机构4、5号阀控缸机构5和6号阀控缸机构6的下端分别通过各自的虎克铰与下平台8连接；

设平台的质心O为控制点，在控制点建立OXYZ坐标系。OX轴的正方向由O点指向5号阀控缸机构5的上铰点方向。OZ轴正方向垂直指向下平台8； OX、OY及OZ三个坐标轴的方向满足右手定则。上平台7有六个运动自由度，分别是绕OX轴转动的横摇运动、绕OY轴转动的纵摇运动、绕OZ轴转动的偏航运动、沿OX轴平动的横向运动、沿OY轴平动的航向运动和沿OZ轴平动的升沉运动。d₁为4号阀控缸机构4与6号阀控缸机构6上铰点中心的连线距离的一半，d₂为上平台7的中心与6号阀控缸机构6上铰点中心的连线在OX轴上的投影长度，d₃为上平台7的中心与5号阀控缸机构5上铰点中心的连线在 OX轴上的投影长度，d₄为2号阀控缸机构2与3号阀控缸机构3上铰点中心的连线距离的一半。

具体的控制方法，包括以下步骤：

A、输入六自由度电液振动台的加速度指令信号Q₀，Q₀为6×1列向量，如下式：

Q₀＝[x₀ y₀ z₀ Rx₀ Ry₀ Rz₀]^T

其中x₀为横向自由度的加速度指令信号；y₀为航向自由度的加速度指令信号；z₀为升沉自由度的加速度指令信号；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；Rz₀为偏航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6×1列向量，如下式：

Q_r＝[x_r y_r z_r Rx_r Ry_r Rz_r]^T

算式为：

式中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、采集六个阀控缸机构的活塞杆位置信号y，y为6×1列向量。信号y右乘矩阵J的逆矩阵，输出信号记为Q_f，Q_f为6×1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6×1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6×1列向量。算式为：

Q_c＝KQ_e

矩阵K的表达式为：

其中K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆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6×1列向量。算式为：

x_c＝JQ_c

F、采集六个阀控缸机构的活塞杆速度信号v，v为6×1列向量。信号v乘以增益λ₃，所得结果记为信号x_d，x_d为6×1列向量。算式为：

x_d＝λ₃v

其中λ₃为增益系数。

G、将信号x_c与信号x_d的偏差信号记为x_q，x_q为6×1列向量。算式为：

x_q＝x_c-xd

H、信号x_q乘以增益λ₂，输出信号记为x_p，x_p为6×1列向量。算式为：

x_p＝λ₂x_q

其中λ₂为增益系数。

I、采集六个阀控缸机构的活塞杆加速度信号a，a为6×1列向量。信号a 乘以增益λ₁，输出信号记为x_a，x_a为6×1列向量。算式为:

x_a＝λ₁a

其中λ₁为增益系数。

J、将信号x_p与信号x_a的偏差信号记为信号x_u，x_u为6×1列向量。算式为：

x_u＝x_p-x_a

K、采集延时模块的输出信号u'，u'为6×1列向量。将信号y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6×1 列向量。算式为:

其中β₁、β₂、β₃、β₄为增益系数，B₀为6×6矩阵，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·P_a/m²；m_t为上平台7的质量，单位为kg。

L、将信号x_u与信号f_L的偏差信号记为信号x_b，x_b为6×1列向量。算式为：

x_b＝x_u-f_L

M、将信号x_b右乘矩阵B₀，计算六个阀控缸机构的驱动信号u，u为6×1 列向量。算式为：

u＝B_Ox_b

N、由信号u驱动六个阀控缸机构运动，进而驱动上平台7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)

1.一种六自由度电液振动台自抗扰控制方法，所述的六自由度电液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(7)和下平台(8)；所述的三个水平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)和3号阀控缸机构(3)；所述的三个垂直向阀控缸机构分别为4号阀控缸机构(4)、5号阀控缸机构(5)和6号阀控缸机构(6)；所述的1号阀控缸机构(1)、2号阀控缸机构(2)和3号阀控缸机构(3)的外端分别通过各自的虎克铰与1号缸支座(9)、2号缸支座(10)和3号缸支座(11)连接，所述的1号阀控缸机构(1)、2号阀控缸机构(2)和3号阀控缸机构(3)的内端分别通过各自的虎克铰与上平台(7)连接，所述的1号缸支座(9)、2号缸支座(10)和3号缸支座(11)的下端均固定在下平台(8)上；所述的4号阀控缸机构(4)、5号阀控缸机构(5)和6号阀控缸机构(6)的上端分别通过各自的虎克铰与上平台(7)连接，所述的4号阀控缸机构(4)、5号阀控缸机构(5)和6号阀控缸机构(6)的下端分别通过各自的虎克铰与下平台(8)连接；

设平台的质心O为控制点，在控制点建立OXYZ坐标系；OX轴的正方向由O点指向5号阀控缸机构(5)的上铰点方向；OZ轴正方向垂直指向下平台(8)；OX、OY及OZ三个坐标轴的方向满足右手定则；上平台(7)有六个运动自由度，分别是绕OX轴转动的横摇运动、绕OY轴转动的纵摇运动、绕OZ轴转动的偏航运动、沿OX轴平动的横向运动、沿OY轴平动的航向运动和沿OZ轴平动的升沉运动；d₁为4号阀控缸机构(4)与6号阀控缸机构(6)上铰点中心的连线距离的一半，d₂为上平台(7)的中心与6号阀控缸机构(6)上铰点中心的连线在OX轴上的投影长度，d₃为上平台(7)的中心与5号阀控缸机构(5)上铰点中心的连线在OX轴上的投影长度，d₄为2号阀控缸机构(2)与3号阀控缸机构(3)上铰点中心的连线距离的一半；

其特征在于：具体的控制方法，包括以下步骤：

A、输入六自由度电液振动台的加速度指令信号Q₀，Q₀为6×1列向量，如下式：

Q₀＝[x₀ y₀ z₀ Rx₀ Ry₀ Rz₀]^T

其中x₀为横向自由度的加速度指令信号；y₀为航向自由度的加速度指令信号；z₀为升沉自由度的加速度指令信号；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；Rz₀为偏航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6×1列向量，如下式：

Q_r＝[x_r y_r z_r Rx_r Ry_r Rz_r]^T

算式为：

式中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、采集六个阀控缸机构的活塞杆位置信号y，y为6×1列向量；信号y右乘矩阵J的逆矩阵，输出信号记为Q_f，Q_f为6×1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6×1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6×1列向量；算式为：

Q_c＝KQ_e

矩阵K的表达式为：

其中K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆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6×1列向量；算式为：

x_c＝JQ_c

F、采集六个阀控缸机构的活塞杆速度信号v，v为6×1列向量；信号v乘以增益λ₃，所得结果记为信号x_d，x_d为6×1列向量；算式为：

x_d＝λ₃v

其中λ₃为增益系数；

G、将信号x_c与信号x_d的偏差信号记为x_q，x_q为6×1列向量；算式为：

x_q＝x_c-x_d

H、信号x_q乘以增益λ₂，输出信号记为x_p，x_p为6×1列向量；算式为：

x_p＝λ₂x_q

其中λ₂为增益系数；

I、采集六个阀控缸机构的活塞杆加速度信号a，a为6×1列向量；信号a乘以增益λ₁，输出信号记为x_a，x_a为6×1列向量；算式为:

x_a＝λ₁a

其中λ₁为增益系数；

J、将信号x_p与信号x_a的偏差信号记为信号x_u，x_u为6×1列向量；算式为：

x_u＝x_p-x_a

K、采集延时模块的输出信号u'，u'为6×1列向量；将信号y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6×1列向量；算式为:

其中β₁、β₂、β₃、β₄为增益系数，B₀为6×6矩阵，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·P_a/m²；m_t为上平台(7)的质量，单位为kg；

L、将信号x_u与信号f_L的偏差信号记为信号x_b，x_b为6×1列向量；算式为：

x_b＝x_u-f_L

M、将信号x_b右乘矩阵B₀，计算六个阀控缸机构的驱动信号u，u为6×1列向量；算式为：

u＝B₀x_b

N、由信号u驱动六个阀控缸机构运动，进而驱动上平台(7)运动；同时将信号u输入到延时模块中。

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