CN113465859A - 一种六自由度电液振动台的干扰力补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度电液振动台的干扰力补偿方法，包括以下步骤：将六自由度加速度参考信号左乘矩阵J后作为参考信号发生器模块的输入信号；经参考信号发生器模块得输出信号r_a；将r_a作为积分器1模块的输入信号，得输出信号r_v；将r_v作为积分器2模块的输入信号，得输出信号r_x；采集各阀控缸机构的液压缸活塞杆的位移信号x、速度信号v、加速度信号a和液压缸两腔的压差信号P_L；将信号r_x、r_v、r_a、x、v、a、P_L作为干扰力补偿控制器模块的输入信号，计算干扰力补偿控制器模块的输出信号u；将干扰力补偿控制器模块的输出信号u作为六个阀控缸机构的驱动信号，输入到六个阀控缸机构，驱动六自由度电液振动台运动。本发明明显提高了六自由度电液振动台的控制精度。

Description

一种六自由度电液振动台的干扰力补偿方法

技术领域

本发明涉及多自由度电液振动台，特别是一种六自由度电液振动台的干扰力补偿方法。

背景技术

多自由度电液振动台是大型结构或设备振动环境模拟的关键设备，通过再现环境实测的加速度信号，考核结构或设备在振动环境下的抗振性能，广泛应用于航空航天、桥梁建筑、船舶、车辆等领域。控制系统是电液振动台的核心技术。

六自由度电液振动台由六套阀控缸机构驱动，具有横向、航向、升沉、横摇、纵摇和偏航六个运动自由度。传统六自由度电液振动台系统的控制器设计，均假设系统有刚性基础，且液压缸与上平台及负载均为刚性连接。但对于负载重量较大的系统，上述假设并不成立。系统的基础存在弹性，液压缸与上平台及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，极大降低了六自由度电液振动台系统的控制精度。以电液振动台沿升沉自由度运动为例，分析表明，采用传统控制方法时，升沉自由度的加速度输出信号与加速度参考信号的时域峰值误差约为60％，严重影响了振动台系统的控制精度。

中国专利ZL201910395017.4公开了《一种六自由度双电液振动台台阵模拟系统干扰力补偿方法》和中国专利ZL201910395564.2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》，这两项专利基于台阵系统的数学模型，设计干扰力补偿控制器。当无法获取系统精确模型时，上述专利中所述方法对干扰力的补偿效果有限。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能提高振动台的控制精度的六自由度电液振动台的干扰力补偿方法。

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的干扰力补偿方法，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。

设上平台的质心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轴的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。阀控缸机构1～阀控缸机构6中各元件结构参数相同，A为液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积、V_t为液压缸两腔总容积、K_c为伺服阀流量压力系数、C_tc为液压缸总泄漏系数、K_q为伺服阀流量增益。

所述的干扰力补偿方法，包括以下步骤：

A、定义六自由度电液振动台的六自由度加速度参考信号为Q₀，Q₀为6×1列向量，表达式为：

Q₀＝[x₀ y₀ z₀ Rx₀ Ry₀ Rz₀]^T

式中，x₀为横向自由度的加速度参考信号；y₀为航向自由度的加速度参考信号；z₀为升沉自由度的加速度参考信号；Rx₀为横摇自由度的加速度参考信号；Ry₀为纵摇自由度的加速度参考信号；Rz₀为偏航自由度的加速度参考信号；上标T表示向量转置。

将Q₀作为顺馈模块的输入信号，得输出信号Q_d，Q_d为6×1列向量，计算公式为：

式中，s为拉普拉斯变换中的复变量。

B、将输出信号Q_d左乘矩阵J，得输出信号r_d，r_d为6×1列向量，计算公式为：

r_d＝JQ_d

矩阵J的表达式为：

C、将r_d作为参考信号发生器模块的输入信号，得输出信号r_a，r_a为6×1列向量，计算公式为：

式中，f₁、f₂均为转折频率，且f₁<f₂。

D、将r_a作为积分器1模块的输入信号，得输出信号r_v，r_v为6×1列向量，计算公式为：

E、将r_v作为积分器2模块的输入信号，得输出信号r_x，r_x为6×1列向量，计算公式为：

F、采集阀控缸机构1中液压缸活塞杆的位移信号x₁、速度信号v₁、加速度信号a₁、液压缸两腔的压差信号P_L1，采集阀控缸机构2中液压缸活塞杆的位移信号x₂、速度信号v₂、加速度信号a₂、液压缸两腔的压差信号P_L2，采集阀控缸机构3中液压缸活塞杆的位移信号x₃、速度信号v₃、加速度信号a₃、液压缸两腔的压差信号P_L3，采集阀控缸机构4中液压缸活塞杆的位移信号x₄、速度信号v₄、加速度信号a₄、液压缸两腔的压差信号P_L4，采集阀控缸机构5中液压缸活塞杆的位移信号x₅、速度信号v₅、加速度信号a₅、液压缸两腔的压差信号P_L5，采集阀控缸机构6中液压缸活塞杆的位移信号x₆、速度信号v₆、加速度信号a₆、液压缸两腔的压差信号P_L6；令：

x＝[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆]^T

v＝[v₁ v₂ v₃ v₄ v₅ v₆]^T

a＝[a₁ a₂ a₃ a₄ a₅ a₆]^T

P_L＝[P_L1 P_L2 P_L3 P_L4 P_L5 P_L6]^T

将信号r_x、r_v、r_a、x、v、a、P_L作为干扰力补偿控制器模块的输入信号，计算干扰力补偿控制器模块的输出信号u，u为6×1列向量，计算公式为：

式中，m为负载质量，P_s为油源供油压力，β_e为液压油体积弹性模量，k₁、k₂、k₃均为增益，ε₁、ε₂均为小于1的正数。

G、将干扰力补偿控制器模块的输出信号u作为六个阀控缸机构的驱动信号，输入到六个阀控缸机构，驱动六自由度电液振动台运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.受干扰力等因素的影响，采用传统控制方法时，六自由度电液振动台升沉自由度的加速度输出信号与加速度参考信号的时域峰值误差约为60％。采用本发明提供的方法后，可将六自由度电液振动台升沉自由度的加速度输出信号与加速度参考信号的时域峰值误差控制在40％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，能够满足六自由度电液振动台的实验要求，所以本发明易于采用计算机数字控制实现。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明采用的六自由度电液振动台的结构示意图。

图3是图2的俯视简图。

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的干扰力补偿方法，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。

设上平台7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轴的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。阀控缸机构1～阀控缸机构6中各元件结构参数相同，A为液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积、V_t为液压缸两腔总容积、K_c为伺服阀流量压力系数、C_tc为液压缸总泄漏系数、K_q为伺服阀流量增益。

所述的干扰力补偿方法，包括以下步骤：

A、定义六自由度电液振动台的六自由度加速度参考信号为Q₀，Q₀为6×1列向量，表达式为：

Q₀＝[x₀ y₀ z₀ Rx₀ Ry₀ Rz₀]^T

式中，x₀为横向自由度的加速度参考信号；y₀为航向自由度的加速度参考信号；z₀为升沉自由度的加速度参考信号；Rx₀为横摇自由度的加速度参考信号；Ry₀为纵摇自由度的加速度参考信号；Rz₀为偏航自由度的加速度参考信号；上标T表示向量转置。

将Q₀作为顺馈模块的输入信号，得输出信号Q_d，Q_d为6×1列向量，计算公式为：

式中，s为拉普拉斯变换中的复变量。

B、将输出信号Q_d左乘矩阵J，得输出信号r_d，r_d为6×1列向量，计算公式为：

r_d＝JQ_d

矩阵J的表达式为：

C、将r_d作为参考信号发生器模块的输入信号，得输出信号r_a，r_a为6×1列向量，计算公式为：

式中，f₁、f₂均为转折频率，且f₁<f₂。

D、将r_a作为积分器1模块的输入信号，得输出信号r_v，r_v为6×1列向量，计算公式为：

E、将r_v作为积分器2模块的输入信号，得输出信号r_x，r_x为6×1列向量，计算公式为：

F、采集阀控缸机构1中液压缸活塞杆的位移信号x₁、速度信号v₁、加速度信号a₁、液压缸两腔的压差信号P_L1，采集阀控缸机构2中液压缸活塞杆的位移信号x₂、速度信号v₂、加速度信号a₂、液压缸两腔的压差信号P_L2，采集阀控缸机构3中液压缸活塞杆的位移信号x₃、速度信号v₃、加速度信号a₃、液压缸两腔的压差信号P_L3，采集阀控缸机构4中液压缸活塞杆的位移信号x₄、速度信号v₄、加速度信号a₄、液压缸两腔的压差信号P_L4，采集阀控缸机构5中液压缸活塞杆的位移信号x₅、速度信号v₅、加速度信号a₅、液压缸两腔的压差信号P_L5，采集阀控缸机构6中液压缸活塞杆的位移信号x₆、速度信号v₆、加速度信号a₆、液压缸两腔的压差信号P_L6；令：

x＝[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆]^T

v＝[v₁ v₂ v₃ v₄ v₅ v₆]^T

a＝[a₁ a₂ a₃ a₄ a₅ a₆]^T

P_L＝[P_L1 P_L2 P_L3 P_L4 P_L5 P_L6]^T

将信号r_x、r_v、r_a、x、v、a、P_L作为干扰力补偿控制器模块的输入信号，计算干扰力补偿控制器模块的输出信号u，u为6×1列向量，计算公式为：

式中，m为负载质量，P_s为油源供油压力，β_e为液压油体积弹性模量，k₁、k₂、k₃均为增益，ε₁、ε₂均为小于1的正数。

G、将干扰力补偿控制器模块的输出信号u作为六个阀控缸机构的驱动信号，输入到六个阀控缸机构，驱动六自由度电液振动台运动。

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)

1.一种六自由度电液振动台的干扰力补偿方法，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；

设上平台(7)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轴的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；阀控缸机构1～阀控缸机构6中各元件结构参数相同，A为液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积、V_t为液压缸两腔总容积、K_c为伺服阀流量压力系数、C_tc为液压缸总泄漏系数、K_q为伺服阀流量增益；

其特征在于：所述的干扰力补偿方法，包括以下步骤：

A、定义六自由度电液振动台的六自由度加速度参考信号为Q₀，Q₀为6×1列向量，表达式为：

Q₀＝[x₀ y₀ z₀ Rx₀ Ry₀ Rz₀]^T

式中，x₀为横向自由度的加速度参考信号；y₀为航向自由度的加速度参考信号；z₀为升沉自由度的加速度参考信号；Rx₀为横摇自由度的加速度参考信号；Ry₀为纵摇自由度的加速度参考信号；Rz₀为偏航自由度的加速度参考信号；上标T表示向量转置；

将Q₀作为顺馈模块的输入信号，得输出信号Q_d，Q_d为6×1列向量，计算公式为：

式中，s为拉普拉斯变换中的复变量；

B、将输出信号Q_d左乘矩阵J，得输出信号r_d，r_d为6×1列向量，计算公式为：

r_d＝JQ_d

矩阵J的表达式为：

C、将r_d作为参考信号发生器模块的输入信号，得输出信号r_a，r_a为6×1列向量，计算公式为：

式中，f₁、f₂均为转折频率，且f₁<f₂；

D、将r_a作为积分器1模块的输入信号，得输出信号r_v，r_v为6×1列向量，计算公式为：

E、将r_v作为积分器2模块的输入信号，得输出信号r_x，r_x为6×1列向量，计算公式为：

F、采集阀控缸机构1中液压缸活塞杆的位移信号x₁、速度信号v₁、加速度信号a₁、液压缸两腔的压差信号P_L1，采集阀控缸机构2中液压缸活塞杆的位移信号x₂、速度信号v₂、加速度信号a₂、液压缸两腔的压差信号P_L2，采集阀控缸机构3中液压缸活塞杆的位移信号x₃、速度信号v₃、加速度信号a₃、液压缸两腔的压差信号P_L3，采集阀控缸机构4中液压缸活塞杆的位移信号x₄、速度信号v₄、加速度信号a₄、液压缸两腔的压差信号P_L4，采集阀控缸机构5中液压缸活塞杆的位移信号x₅、速度信号v₅、加速度信号a₅、液压缸两腔的压差信号P_L5，采集阀控缸机构6中液压缸活塞杆的位移信号x₆、速度信号v₆、加速度信号a₆、液压缸两腔的压差信号P_L6；令：

x＝[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆]^T

v＝[v₁ v₂ v₃ v₄ v₅ v₆]^T

a＝[a₁ a₂ a₃ a₄ a₅ a₆]^T

P_L＝[P_L1 P_L2 P_L3 P_L4 P_L5 P_L6]^T

将信号r_x、r_v、r_a、x、v、a、P_L作为干扰力补偿控制器模块的输入信号，计算干扰力补偿控制器模块的输出信号u，u为6×1列向量，计算公式为：

式中，m为负载质量，P_s为油源供油压力，β_e为液压油体积弹性模量，k₁、k₂、k₃均为增益，ε₁、ε₂均为小于1的正数；

G、将干扰力补偿控制器模块的输出信号u作为六个阀控缸机构的驱动信号，输入到六个阀控缸机构，驱动六自由度电液振动台运动。

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