CN114185271B - 一种环形桁架三维随动系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环形桁架三维随动系统的控制方法，其具体包括如下步骤：S1：以m根绳索具有n自由度索并联系统为研究对象建立坐标系；S2：建立系统广义力平衡模型；S3：计算索并联系统的广义力W：S4：通过判断m根索组成的拉力矢量T是否满足如下关系：Tmin≤T≤Tmax，确保各拉索不虚牵；S5：以张力最小方差minf(T)为目标对所建立的索系统广义力平衡模型进行优化；S6：计算索并联驱动系统力控工作空间；S7：建立索并联驱动系统随动控制方程；S8：建立水平快速随动系统控制模型；S9：设置拉力变化曲线，确定伺服电机工作在力矩模式，进行拉力闭环反馈控制。
Description
技术领域
本发明涉及模拟试验平台技术领域，更为具体地，本发明涉及一种环形桁架三维随动系统及其控制方法。
背景技术
地外天体低重力模拟试验平台是首次火星探测的地面验证试验的关键设施之一，其为火星、月球、行星探测器的悬停、避障点火着陆实验等提供了低重力的模拟环境。
当前低重力模拟试验平台的随动系统主要有以下两种：
第一种是大转动臂随动系统。其随动架构采用极坐标形式，在旋转机械臂上安装平移小车及升降卷筒机构，通过测量位置和速度控制小车和旋臂运动实现在水平面的位置跟随，控制卷筒位置和速度实现垂直方向的拉力跟随。该方案的驱动系统比较简单，但是受旋转机械臂及小车机构和卷筒机构惯量及结构强度限制，仅适合于几十公斤载荷和数米内空间范围的低重力模拟。
第二种是移动桁车式随动系统。其实现方式是在移动式桁车上安装平移小车及卷筒机构，通过桁车、平移小车和卷筒机构的联动，实现低重力模拟。该方案采用的桁车结构提高了系统的结构强度，可以增加平移小车及卷筒机构的负载能力以及运动范围，使试验载荷可以达到数百公斤及数十米的低重力模拟空间范围，但是由于移动式桁车结构巨大，其重量通常达到数百吨，使得系统的平移速度及加速度受到限制。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提出环形桁架三维随动系统及其控制方法，所述三维随动系统包括索并联驱动系统、水平随动系统和拉力调节系统。根据本发明的三维随动系统为一种二级串联快速随动系统，其中并联驱动系统提供大范围、高速度的三维位置随动，为一级随动，水平随动系统提供探测器水平位置精确随动，拉力调节系统实现探测器拉力的精确随动，为二级随动。
本发明的技术方案如下：
一种环形桁架三维随动系统的控制方法，其具体包括如下步骤：
S1：以m根绳索具有n自由度索并联系统为研究对象建立坐标系，所述坐标系包括坐标系局部坐标系P-XYZ和全局固定坐标系O-XYZ；
S2：根据第i根索张力方向的单位矢量、第i根索力作用点在快速随动圆盘局部坐标系中的位置矢径以及m根索组成的拉力矢量，建立系统广义力平衡模型；
S3：计算索并联系统的广义力W：
S4：通过判断m根索组成的拉力矢量T是否满足如下关系：Tmin≤T≤ Tmax，确保各拉索不虚牵，转入S5；
S5：以张力最小方差minf(T)为目标对所建立的索系统广义力平衡模型进行优化；
S6：计算索并联驱动系统力控工作空间；
S7：建立索并联驱动系统随动控制方程；确定随动平台在所处位置运动状态下各钢丝绳的张力大小，通过控制伺服电机位移与张力，可以实现索并联驱动系统随动控制；
S8：建立水平快速随动系统控制模型，根据吊绳倾角，计算修正偏差位移，通过伺服电机带动伺服驱动机构驱动快速随动平台，使吊绳倾角保持与重力场一致；
S9：设置拉力变化曲线，确定伺服电机工作在力矩模式，进行拉力闭环反馈控制。
优选地，局部坐标系P-XYZ的坐标原点P位于快速随动圆盘几何对称中心，全局固定坐标系O-XYZ的坐标原点0在试场地面驱动系统的对称中心，坐标轴Z正向垂直向上。
优选地，工作空间，具体计算方法如下：
1)对索并联驱动预设工作空间以合理长度划分网格点；
2)提取一个网格点位姿参数X，计算结构矩阵J；
3)判断结构矩阵是否满秩，即rank(J)＝n是否成立，如果不满秩，则该位姿点不属于工作空间，如果满秩，进入下一步；
4)运用索力优化方法计算得到优化结果，检查索力是否满足 Tmin≤T≤Tmax条件，若满足，则该点属于工作空间，若不满足，则该点不属于工作空间；
5)返回步骤2)，提取另一网格点重复3)～5)，直到所有网格点计算完毕，即可确定系统工作空间范围。
优选地，S9中，判断试验是否结束，若试验结束则设定为位置控制模式，结束此次控制。若试验未结束，继续进行拉力闭环反馈控制。
优选地，拉力调节控制系统中电流反馈环节的传递函数为
式中，Gief为电流反馈环节的传递函数、Kief为电流反馈环节的传递函数的放大系数、Tief为电流反馈环节的延迟时间，Gpwm为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的传递函数、Kpwm为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的放大系数、Tpwm为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的延迟时间。
优选地，电流环控制器的传递函数为
其中，Kp是电流调节器的比例系数，Ki为电流调节器的时间常数。
优选地，将电流环校正成I型系统。
优选地，电流环的简化闭环传递函数Gi(s)为
其中，ξ为电流环闭环阻尼比，ωn为电流环闭环阻尼比和固有频率，满足
优选地，速度环控制器的闭环传递函数简化为
一种环形桁架三维随动系统，其包括索并联驱动系统、水平随动系统和拉力调节系统，水平随动系统提供水平位置跟随，拉力调节系统实现探测器拉力的精确控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用两级随动控制方式，通过索并联驱动系统可以实现在数十米到上百米空间内的高速位置随动，由快速随动平台实现数百公斤载荷的高精度位置和拉力随动，通过两级串联，由粗到精逐级控制方式，实现了大范围、大载荷、高精度的低重力模拟试验目的，降低了系统实现难度，提高了系统精度，满足地外天体低重力模拟试验要求。
附图说明
本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统的组成示意图。
图2为根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统的控制方法的流程示意图。
图3为根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统的主提升索驱动系统的结构示意图。
图4为根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统的水平随动系统的结构示意图。
图5为根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统的拉力调节系统的放大后的结构示意图。
图6为根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统的结构示意图。
图7为根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统的控制方法的索并联系统坐标系。
图8为根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统的控制方法的水平快速随动系统控制框图。
图9为根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统的控制方法的水平快速随动系统控制流程图。
图10和图11为根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统的控制方法的水平快速随动系统的控制模型图。
图12为根据本发明的实施例的环形桁架三维随动系统的控制方法中拉力调节系统控制框图。
图13为根据本发明的实施例的环形桁架三维随动系统的控制方法中拉力调节系统控制流程图。
图14为根据本发明的实施例的环形桁架三维随动系统的控制方法中电流环的结构图。
图15为图14的简化图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下结合附图对本发明进行详细说明。根据本发明实施例的环形桁架三维随动系统，其包括索并联驱动系统、水平随动系统和拉力调节系统，水平随动系统提供水平位置跟随，拉力调节系统实现探测器拉力的精确控制。
地外天体低重力模拟试验平台通过吊绳连接探测器，吊绳跟随探测器运动，保持垂直和拉力恒定，模拟地外天地的低重力环境。通过根据本发明实施例的如图1所示的地外天体低重力模拟实验平台索并联驱动系统完成大范围的移动和跟踪，通过该索并联驱动系统为快速随动系统提供所需要的工作空间及系统随动需要的速度和加速度，本发明在包含六个塔柱1的塔架平台的场地中心为第一预设距离的圆周方向上均匀布置六组驱动单元2，每组驱动单元分上、中、下位置，分别从塔架平台的塔架塔柱的三个预设高度的出绳点连接中心的快速随动平台3，组成18索并联驱动系统。优选地，第一出绳点4的预设高度为场地所在平面，第二出绳点5的高度预设高度为塔架顶部的高度的1/2，第三出绳点6的预设高度为塔架平台的塔架顶部的高度。
具体地，索并联驱动系统包括拉索主提升索驱动系统7、上水平索驱动系统8和下水平索驱动系统9；其中拉索可以是钢丝绳。
所述塔架顶部为环形桁架，包括外环桁架10和内环桁架11，快速随动平台安装在圆盘12。
优选地，所述主提升索驱动系统、上水平索驱动系统和下水平索驱动系统均设置在场地地面的机房，各个机房的位置位于塔架塔柱的低端所围成的区域之外。主提升所驱动系统通过两个电机实现圆盘的上斜拉。上水平索驱动系统通过一个电机实现圆盘的上水平运动。下水平索驱动系统通过两个电机实现了圆盘的下斜拉。通过下水平索驱动系统的下斜拉将圆盘转运至初始极限位置。
优选地，主提升索驱动系统包括六组驱动单元，每组驱动单元包括双电机、双减速器和双出绳滚筒。两根钢丝绳通过通过地外天地低重力模拟试验平台的塔架平台的塔架顶部距离地方第一高度H1处的两个滑轮与快速随动系统进行连接，构成平行四边形机构，防止快速随动系统产生倾斜，如图1所示。主提升索驱动系统通过电机13进行驱动，优选地，电机13的数量为两个，两个电机分别连接各自的减速器14，在减速器和电机之间设置液压制动器15，两个减速器的输出轴分别连接至第一滚筒16的两个轴端，以带动第一滚筒进行转动。优选地，所述电机为伺服电机，其能够带动滚筒进行正向和反向的运动，主提升索并联驱动拉索绕至该第一滚筒上，通过电机的转动，带动主提升索运动，实现圆盘的相应运动。主提升索为第一拉索，第一拉索的第一端与圆盘连接后，经过塔架平台的内环桁架后，延伸至外环桁架。在第一拉索经过内环桁架处设置导向滑轮对第一拉索的运动进行导向，在第一拉索经过外环桁架处设置导向滑轮，通过导向滑轮对第一拉索的运动进行导向。第一拉索在内环桁架和外环桁架的部分需要保持直线度。
第一拉索到达外环桁架的导向滑轮后，经导向滑轮导向后，沿着塔架塔柱的桁架运动，具体地，沿着垂直于场地方向运动至场地所在平面后经导向滑轮导向后沿着场地输送一段距离后，进入地面机房。
优选地，第一拉索在场地所处的平面内可以经过多次导向滑轮后，到达位于场地地面的主提升所驱动系统机房，实现对圆盘的上斜拉，即主提升过程。
上水平索为第二拉索。上水平索驱动系统包括6组驱动单元，每组驱动单元包括一个电机、一个减速器和双出绳滚筒。两根钢丝绳，即，第二拉索，通过塔架塔柱上距离地面第二高度H2的处于水平布置的两个导向滑轮与快速随动系统进行连接，构成平行四边形机构，为快速随动系统提供水平驱动力的同时，增加扭转刚度。优选地，第二拉索的第一端连接至圆盘后，第二拉索通过塔架塔柱上距离地面第二高度H2的处于水平布置的两个导向滑轮进行导向后沿着塔架塔柱运动，例如，沿着垂直于场地方向运动，到达场地所在平面后经导向滑轮导向后沿着场地输送一段距离后，进入地面的上水平索驱动系统机房。第二拉索绕至该第二滚筒上。第二滚筒依靠电机驱动减速机进行带动，优选地，所述电机为伺服电机，所述电机和所述减速器之间设置液压制动器。
所述下斜拉索驱动系统包括六组驱动单元。用作下斜拉索驱动系统的双钢丝绳为第三拉索，第三拉索通过场地所在平面第三距离H3处水平布置的两个导向滑轮与快速随动系统进行连接，构成平行四边形机构，并为快随随动系统提供水平驱动力和增加扭转刚度，其中一组驱动单元采用双电机驱动来增加驱动力，将快速随动系统牵引至探测器转运区，即火星表面成像模拟区的边缘。优选地，第三拉索的第一端连接至圆盘后，第三拉索的第二端经滑轮导向后到达场地所在平面，经导向滑轮导向后沿着场地输送一段距离后，进入地面的下斜拉索驱动系统机房。第三拉索绕至该第三滚筒上。第三滚筒依靠电机驱动减速机进行带动，优选地，所述电机为伺服电机，所述电机和所述减速器之间设置液压制动器。
根据本发明的索并联驱动系统包括三套运动控制器，分别控制各自的伺服驱动器和伺服电机以驱动相应的减速器和滚筒，实现拉索，即，钢丝绳跟随快速随动系统，为验证器和圆盘提供水平与垂直驱动力。运行过程中第一拉索、第二拉索和第三拉索保持张紧状态。
本发明中的水平随动系统采用伺服电机、滚动丝杠、和精密滚动导轨，完成对探测器的精确水平位置跟踪，其中拉力倾角的监测直接由安装在探测器吊点出绳处的双编码器和安装在二维工作台处的激光陀螺仪进行读取，双编码器固定在万向联轴节上。采用双伺服电机驱动方式可以保持轨道两侧力矩平衡，避免大跨度轨道单电机驱动容易导致卡轨的问题，采用双编码器与激光陀螺仪系统测定吊绳倾角，相比光栅干涉测量系统，能够在吊绳上下随动情况下进行大范围角度的精确测量。所述水平随动系统包括伺服电机、导轨、伺服驱动机构、拖动电缆、万向联轴节、编码器、激光陀螺仪、姿态稳定杆。该水平随动系统的运动包括X方向的运动和Y方向的运动。快速随动平台为圆盘结构，在圆盘的下表面设置相互平行的梁，该梁作为第一导轨，第一导轨作为水平导轨。水平导轨固定至圆盘的下表面，所述水平导轨的上表面与圆盘的下表面无间隙，也就是说，水平导轨紧贴至圆盘的下表面。优选地，所述水平导轨为多条平行设置，且各水平导轨等间隔设置。优选地，所述水平导轨的数量为3-4条。根据本发明的实施例，所述水平导轨的数量为四条，各水平导轨相互平行且相邻两条水平导轨的间距相等。所述伺服电机包括第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机，所述伺服驱动机构包括第一伺服驱动机构、第二伺服驱动机构和第四伺服驱动机构。第一伺服电机和第二伺服电机通过第一拖动电缆连接至电源供电。第一伺服电机的输出轴带动第一伺服驱动机构运动以及第二伺服电机的输出轴带动第二伺服驱动机构同步运动，通过第一伺服电机和第二伺服电机的同步输出带动第二导轨沿着水平导轨，即第一导轨的方向运动，将沿着梁的方向的运动设置为沿着X方向的运动，也就是说，通过第一伺服电机和第二伺服电机的运动实现了水平随动系统在X轴的运动。优选地，所述第一伺服电机跟随第一伺服驱动机构一起运动，所述第二伺服电机跟随第二伺服驱动机构一起运动。所述第一伺服驱动机构和第二伺服驱动机构与第二导轨连接，以带动第二导轨运动。所述第二导轨为垂直导轨，其位于第一导轨的下方，第二导轨的长度方向与第一导轨的长度方向相互垂直，在该垂直导轨的上表面设置有第一滑槽。第一滑槽与水平导轨配合以实现Y方向的滑动。垂直导轨的下表面设置有第二滑槽。第三伺服电机驱动第三伺服驱动机构，通过第三伺服驱动机构带动拉力调节系统沿着Y的方向运动，第三伺服电机与拖动电缆连接电源装置供电。优选地，第一伺服电机的设置在导轨水平面内与轨道方向垂直位置，所述伺服电机与伺服驱动机构相连，所述伺服驱动机构为齿轮减速器，齿轮减速器的输入轴与输出轴相垂直。第二伺服电机与第一伺服电机关于圆盘中心线对称。所述伺服电机为交流伺服电机。在第二导轨的下方设置拉力调节系统固定平台作为Y方向水平随动系统，在该Y方向水平随动系统的基座下表面设置万向联轴节，编码器设置在万向联轴节上，通过编码器以及安装在该基座上表面的激光陀螺仪读取吊绳的倾角，即拉力倾角。优选地，万向联轴节上设置是双编码器，分别测量X及Y方向倾角。在基座的下表面吊设姿态稳定杆固定架，姿态稳定杆固定架为四边形结构，在该四边形结构连接姿态稳定杆。优选地，姿态稳定杆的下部设置稳定块，该稳定块与探测器接触，实现姿态稳定。优选地，稳定块的底面接触探测器的上表面或稳定块的侧壁接触探测器的侧壁。水平快速随动系统的两个运动坐标由运动控制器控制伺服驱动器和伺服电机来完成，工作在随动控制方式，以实现水平快速随动系统中的上吊点对探测器的精确跟踪，探测器的位置由万向联轴节上的编码器和激光陀螺仪检测。
具体地，所述水平随动系统包括伺服电机、导轨、服驱动机构、万向联轴节、编码器、激光陀螺仪、姿态稳定杆。
在圆盘的下表面设置相互平行的梁，该梁作为第一导轨17，第一导轨作为水平导轨，水平导轨紧贴圆盘的下表面。优选地，所述水平的数量为3-4 条。第一伺服电机18带动第一伺服驱动机构19运动，，第二伺服电机20 带动第二伺服驱动机构21运动，第一伺服驱动机构19和第二伺服驱动机构 21同步运动带动第二导轨22沿着梁的方向运动，将该方向的运动设置为沿着X方向的运动，所述第二导轨为垂直导轨，垂直导轨的上表面设置有第一滑槽。
第一滑槽与水平配合以实现Y方向的滑动。垂直导轨的下表面设置有第二滑槽。第三伺服电机23通过第三伺服驱动机构24带动拉力调节系统25 沿着Y的方向运动
优选地，第一伺服电机的设置在导轨水平面内与轨道方向垂直位置，所述伺服电机与伺服驱动机构相连，所述伺服驱动机构为齿轮减速器，齿轮减速器的输入轴与输出轴相垂直。第二伺服电机与第一伺服电机关于圆盘中心线对称。
所述伺服电机为交流伺服电机。
在拉力调节系统基座下表面设置万向联轴节26，编码器27设置在万向联轴节上，通过编码器以及安装在两维工作平台上的激光陀螺仪28读取吊绳的倾角，即拉力倾角。
优选地，万向联轴节上设置的是双编码器，分别测量X及Y方向倾角。
在吊点处设置姿态稳定杆固定架29，姿态稳定杆固定架为四边形结构，在该四边形结构连接姿态稳定杆。优选地，姿态稳定杆的下部设置稳定块30，该稳定块的侧壁与探测器的相应的侧壁接触，实现姿态稳定。
所述拉力调节系统直接跟随探测器上吊点的垂直运动，其能够通过运动控制器控制两套伺服驱动器和伺服电机分别实现拉力的精确闭环调节。伺服电机工作在扭矩控制方式，拉力的精确测量直接通过上吊点处的力传感器得到。本发明的用于快速随动系统的拉力调节系统，其包括伺服电机、减速器、制动器、滚轮、拉力传感器及万向吊具；
所述电机包括第一伺服电机31和第二伺服电机32，第一伺服电机为第一卸荷电机，第二伺服电机为第二卸荷电机。所述第一伺服电机和第二伺服电机分别于第一减速器33的输入轴相连，在第一伺服电机与第一减速器的输入轴之间设置第一制动器34以便进行拉力粗调制动，在第二伺服电机和第一减速器的输入轴之间也设置第一制动器以便进行拉力粗调制动。第一减速器的输出轴与滚轮的粗调驱动轴相连。
第一个卸荷电机工作于开环状态，设定扭矩由电流环调节，第二个卸荷电机工作于大扭矩设定下的闭环控制，承担主要变化扭矩的粗调，第三个小电机工作于拉力闭环，实现拉力精确控制。
所述第三伺服电机35为拉力精调电机，所述第三伺服电机的输出轴与第二减速器36的输入轴相连，在第二减速器与第三伺服电机之间设置第二制动器37。
第二减速器的输出轴与滚筒38的精调驱动轴相连。在第二减速器与第二制动器之间设置膜片39，通过该膜片降低其两侧内部连接刚度，从而降低连接时同轴度的要求，同样，在第一减速器和第一制动器之间设置膜片。
滚筒上卷绕钢丝绳40，用于连接探测器进行恒拉力控制。钢丝绳末端连接拉力传感器接线盒41，接线盒用于安装拉力传感器的数据采集模块，传感器接线盒下方安装拉力传感器42，优选地，所述拉力传感器的非线性度为 0.025％。
拉力传感器下面连接万向吊具，优选地，所述万向吊具包括万向联轴节 43、顶部梁44和侧向夹持固定杆45，所述侧向加持杆的数量为两个，其分为连接至顶部梁的两个端部。优选地，顶部梁为条形板，所述侧向夹持固定杆的截面为圆柱形。所述侧向夹持固定杆为两部分，第一部分的第二端和第二部分的第一端相连，且第一部分和第二部分相互垂直，第一部分的第一端连接至所述顶部梁的第一端，所述第二部分的第二端夹持探测器的侧面。
优选地，所述侧向夹持固定杆的第一部分的长度大于侧向夹持固定杆的第二部分的长度。
索并联驱动系统随动控制方法中首先需要进行张力优化，根据本发明的环形桁架三维随动系统的控制方法，具体包括如下步骤：
S1：以m根绳索具有n自由度索并联系统为研究对象，建立坐标系，所述坐标系如图7所示。
图7中包括局部坐标系P-XYZ和全局固定坐标系O-XYZ，局部坐标系 P-XYZ的坐标原点P位于快速随动圆盘几何对称中心，全局固定坐标系O-XYZ 的坐标原点0在试场地面驱动系统的对称中心，坐标轴Z正向垂直向上，Ai为第i根索与塔架的连接点，Bi为第i根索与快速随动圆盘的连接点。
S2：根据第i根索张力方向的单位矢量、第i根索力作用点在快速随动圆盘局部坐标系中的位置矢径以及m根索组成的拉力矢量，建立系统广义力平衡模型；
设ui＝(ux uy uz)T＝(cosαcosβcosγ)T为第i根索张力方向的单位矢量，α，β，γ分别为张力与x，y，z轴的夹角，ri＝(rx ry rz)T为第i根索力作用点在快速随动圆盘局部坐标系中的位置矢径，Ti为第i根索的拉力，m根索组成的拉力矢量T＝(T1 T2…Tm)T，则系统的广义力平衡模型，即系统的广义力平衡方程为：
J为与快速随动圆盘姿态和索张力方向相关的雅可比矩阵，W为索并联系统的广义力；F为惯性力，M为惯性力矩；
S3：计算索并联系统的广义力W：
优选地，索并联系统的广义力W可以依据牛顿-欧拉法建立索驱动系统的6自由度动力学模型得到，其中F和M的表达式如下所示；
其中m0为圆盘质量，为圆盘加速度，/>表示圆盘转动角速度，/>表示圆盘转动角加速度，Co表示圆盘质心在固定坐标系下的矢量，Io为圆盘在固定坐标系下的转动惯量。
S4：判断m根索组成的拉力矢量T是否满足如下关系：mmin≤T≤Tmax；若满足，则转入S5；
优选地，由于索并联系统只能单向受力，受驱动系统功率限制，同时为了保证绳索不虚牵，绳索张力受拉力下限Tmin与拉力上限Tmax限制，则T 需要满足如下关系：
Tmin≤T≤Tmax (3)
(1)式的解为：
T＝feff+fnul＝j+(-W)+N(J)λ，λ∈Rm (4)
式中feff为特解，fnul为通解，J+是J的Moor-Penrose广叉逆，J+＝ JT(JJT)-1，N(J)＝(I-J+J)λ是J的零空间矢量，λ∈Rm为任意矢量。
由(4)可知，冗余索并联系统的张力解由特解及通解组成，其中通解并不唯一。为了保证系统运行的平稳，各绳索张力除了受最小、最大张力范围限制外，还要连续平稳，因此在系统工作空间内，必须对张力进行优化控制。
S5：以张力最小方差minf(T)为目标进行优化；
优选地，将系统18根钢丝绳依据拓朴关系分为上、中、下斜拉各6根钢索为一组，以张力最小方差minf(T)为目标进行优化：
其中，Ti为第i根索的拉力，Tj为第j根索的拉力；S6：计算索并联驱动系统力控工作空间；
在设定张力限制前提下，分别对系统的预设工作空间进行优化计算，确定该张力优化策略下的实际工作空间，具体计算方法如下：
6)对索并联驱动预设工作空间以合理长度划分网格点；
7)提取一个网格点位姿参数X，计算结构矩阵J；
8)判断结构矩阵是否满秩，即rank(J)＝n是否成立，如果不满秩，则该位姿点不属于工作空间，如果满秩，进入下一步；
9)运用索力优化方法计算得到优化结果，检查索力是否满足 Tmin≤T≤Tmax条件，若满足，则该点属于工作空间，若不满足，则该点不属于工作空间；
10)返回步骤2)，提取另一网格点重复3)～5)，直到所有网格点计算完毕，即可确定系统工作空间范围。
S7：建立索并联驱动系统随动控制方程；
在低重力试验中，随动平台只有平移运动，ω＝0，同时圆盘对称，质心矢量Co＝0，圆盘重m0，由(1)，(3)式简化出动力学方程为：
其中g为重力加速度，a为平台加速度。根据(5)优化方法可确定随动平台在所处位置运动状态下各钢丝绳的张力大小，通过控制伺服电机位移与张力，可以实现索并联驱动系统随动控制。
S8：建立快速水平随动系统控制模型，依据控制流程，实时监测吊绳倾角，计算修正偏差位移，通过伺服电机驱动随动平台，使吊绳倾角保持与重力场一致；
水平快速随动系统的两个运动坐标由控制器，例如，运动控制器控制伺服驱动机构和伺服电机来完成，工作在随动控制方式，以实现水平快速随动系统中的上吊点对探测器的精确跟踪，激光陀螺仪与控制器相连，激光陀螺仪的信号传输至控制器；编码器将倾角的信息反馈至控制器，探测器的位置由万向联轴节上的编码器和位于拉力调节系统固定平台的激光陀螺仪检测，控制框图如图8所示，系统可以实现全闭环控制。伺服电机为交流伺服电机。伺服电机与控制器相连，通过控制器对交流伺服电机进行速度控制，在交流伺服电机与伺服驱动机构之间设置速度采集传感器，将所采集到的速度反馈至控制器，进行速度的闭环控制。所述伺服驱动机构包括滚珠丝杠和螺母。优选地，所述滚珠丝杠机构固定至第一导轨的下表面，其方向与导轨长度方向一致。滚珠丝杠依靠电机带动其旋转，所述螺母沿着丝杠运动，实现X方向的往复运动。优选地，所述螺母固接第二导轨，带动第二导轨沿着X方向运动。绝对编码器的角度检测精度可达0.011°，激光陀螺仪的漂移小于0.01 °/小时，工作温度-40℃～75℃，其为高精度、宽温度陀螺仪。探测器吊绳倾角的检测精度可达0.03°。控制输入来自于探测器的水平移动，其控制流程图见图9。
图10和图11为水平快速随动系统的控制模型图。
伺服驱动机构，例如，滚珠丝杠移动拖板系统的控制方程为：
式中，L是滚珠丝杠的导程(m)，J0为转化到滚珠丝杠上的等效负载的转动惯量，J0＝J2+m(L/2π)2，其中m为移动拖板的质量，J2为滚珠丝杠的转动惯量，C0为等效的转动阻尼系数，Pf为移动拖板对滚珠；其中移动拖板即为前述的拉力调节系统固定平台。
丝杠的轴向作用力，Pf＝μmg+F，μ为导轨摩擦系数，F为移动拖板所受外力在滚珠丝杠轴向分力。K是等效的扭转刚度，对于滚珠丝杠两端固定安装方式，则等效的扭转刚度可计算为
其中K1是电机轴的扭转刚度，K2是滚珠丝杠的扭转刚度，K3为滚珠丝杠的拉压刚度。
对(6)进行拉普拉斯变换，可得系统的传递函数方程，
通过建立快速水平随动系统控制模型，依据控制流程，实时监测吊绳倾角，计算修正偏差位移，通过伺服电机驱动随动平台，使吊绳倾角保持与重力场一致，实现低重力模拟。
拉力调节系统，例如，拉力调节子系统，安装在快速移动平台上，由两套交流伺服电机、制动器、减速器、钢丝绳和滚筒、扭矩传感器以及拉力传感器等组成。快速水平移动平台为两层结构，可以实现两正交X、Y方向水平移动。设计方案采用滚珠丝杠和滚动导轨驱动形式。
参考一般移动工作台设计，平台自重按400kg估算，连同拉力精调装置一起考虑移动质量为1.0T。按4.5m有效行程、5.5m长估算，底层拖板重为 1.5T～2.2T。这样，连同交流伺服电机(113kg)、传动副(210kg)和顶层平台(1.0T)，底层拖板总移动质量估计为2.8T～3.5T。
水平快速随动系统的随动速度设计为5.0m/s，加速度最低要求为 1.5m/s2。顶层平台的移动质量为1.1T，考虑坡度阻力矩(41.7Nm)和摩擦阻力矩(2.0Nm)等因素，电机采用有45.5kw的1FT6136伺服电机，其额定转速3000rpm，额定扭矩145Nm，最大扭矩175Nm，转动惯量0.0664kgm2，重 123kg。电机与丝杠φ50mm导程100mm的滚动丝杠直联，5m总长转动惯量为 0.04kgm2，移动质量折合到丝杠的转动惯量为0.254kgm2。
移动平台底层拖板移动总载荷3.5T，滚动丝杠按φ50mm导程100mm计算，5m长丝杠转动惯量为0.04kgm2，移动质量折合到丝杠的转动惯量为 0.9kgm2。考虑坡度阻力矩(76.5Nm)和摩擦阻力矩(3.0Nm)等因素，电机可选方案：用两台45.5kw的1FT6136伺服电机，电机与丝杠φ50mm导程100mm 的滚动丝杠直联。水平快速移动平台系统电机和移动数据如表1所示。
表1水平快速移动平台系统电机和移动数据
S9：拉力调节系统直接跟随探测器上吊点的垂直运动，由运动控制器控制两套伺服驱动器和伺服电机来实现拉力的精确闭环控制；拉力调节系统直接跟随探测器上吊点的垂直运动，由运动控制器控制两套伺服驱动器和伺服电机来实现拉力的精确闭环控制，伺服电机工作在扭矩控制方式，拉力的精确测量直接由上吊点处的力传感器来完成。整个系统工作在全闭环控制方式，如图12所示。拉力传感器的非线性度为0.025％，在2.0吨额定量程下的力检测精度5N，拉力的控制精度取决于电机的输出转矩，一般伺服电机的扭力控制精度为0.5％～1.5％。为适应下降阶段和上升阶段的载荷重量差别，优化拉力分配，实现20N的拉力控制精度。控制输入来自于力设定值，其控制流程图见图13。
首先设置拉力变化曲线，确定力控制模式，优选地，确定伺服电机工作在力矩模式，进行拉力闭环反馈控制。判断试验是否结束，若试验结束则设定为位置控制模式，结束此次控制。若试验未结束，继续进行拉力闭环反馈控制。
拉力调节系统中，第一伺服电机和第二伺服电机用于卸荷，其可作为卸荷伺服电机，第一伺服电机的扭矩大于第三伺服电机的扭矩，第二伺服电机的扭矩大于第三伺服电机的扭矩，第三伺服伺服电机用于精调，第三伺服电机为精调伺服电机。各电流环控制器分别连接各自的伺服电机，各伺服电机的电流反馈至电流环控制器，实现电流环的闭环控制，优选地，各伺服电机均采用扭矩闭环控制方式。吊绳拉力通过拉力传感器测得，拉力传感器连接钢丝绳，钢丝绳绕制拉力调节系统的滚筒，即滚轮上。第一伺服电机和第二伺服电机扭矩传递至扭矩传感器，通过第一伺服电机和第二伺服电机带动滚筒转动，
伺服电机工作在力矩模式，拉力调节控制系统包括电流反馈环节、滤波器、限幅环节、PARK坐标变换、脉宽调制和功率放大、电机以及电流环控制器。其中，电流反馈环节包含低通滤波器，可用惯性环节来表示；PARK坐标变换、脉宽调制和功放为延迟环节，也可简化为惯性环节来描述，其传递函数可写为，
式中，Gief为电流反馈环节的传递函数、、Kief为电流反馈环节的传递函数的放大系数、Tief为电流反馈环节的延迟时间，Gpwm为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的传递函数、Kpwm为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的放大系数、Tpwm为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的、延迟时间。电流环控制器常采用PI控制器，传递函数为，
这里，Kp是电流调节器的比例系数，Ki为电流调节器的时间常数。
对于电流环，从稳态角度要求做到无静差，以获得良好的堵转特性；从动态角度，要求能跟踪给定的电流，超调越小越好。因此，一般将电流环校正成I型系统。
在电流环的设计过程中，由于电流环响应非常快，可忽略反馈电动势的影响，并先将限幅环节去掉。这样，采用零点对消原理，使调节器时间常数 Kp/Ki与电机电气时间常数Te，用PI调节器的零点对消被控电机大惯性环节的极点，电流环可简化为结构图15。
图中电流环开环增益Kio和时间常数Tio，
满足Kio＝KiKiefKpwm/RTio＝Tpwm+Tief
根据图15所示，可得电流环的简化闭环传递函数Gi(s)为
其中，ξ、ωn为电流环闭环阻尼比和固有频率，满足
根据二阶系统最佳设计原理，选取最佳阻尼比可以得到电流环PI调节器参数为
速度环控制器一般也采用PI控制器，为简化其参数选取，常先将整定好的电流环高频环节做降阶近似处理，将闭环传递函数简化为
/>
降阶近似处理条件为，这样，将电流环简化为时间常数是 2Tio的一节惯性环节。
扭矩传感器可采用非接触数字扭矩传感器，精度为满量程的0.3％；拉力传感器仍采用的拉力传感器，精度为满量程0.025％，测量误差为5N。机械传动机构为减速器、抱闸、滚盘和钢丝绳。优选的，用于卸荷的大电机选两台85kw伺服电机，其额定转数为1500rpm，额定扭矩为540Nm，电机惯量为 0.31kg.m2，拉力精确调节的伺服电机选择13kW伺服电机，其额定转数 1500rpm，额定扭矩为83Nm，电机惯量为0.029kg.m2，滚盘直径设计为0.54m，减速器传动比7.25，滚盘额定线速度设计为6m/s。一台85kw卸荷伺服电机的扭矩输出采用开环控制，同时两台85kw卸荷电机的输出扭矩之和，通过非接触数字扭矩传感器测量，并通过另一台85kw伺服电机实现闭环调节，使输出的卸荷扭矩稳定。吊绳输出拉力通过拉力传感器测量，并通过13kW 伺服电机精确控制。
一般而言，伺服电机闭环控制时扭矩精度约为静态输出扭矩1.5％，扭矩脉动约为静态输出扭矩的0.6％，估算条件是，调整时间大于8倍的系统时间常数，系统时间常数包括脉宽调制周期，闭环采样周期等，西门子控制器电流环时间常数约为0.125ms。两台85kW的卸荷伺服电机的总额定输出扭矩是1080Nm，考虑效率85％，经过减速比为7.25的减速器和半径为0.27米的滚筒之后可提供24650N拉力，满足卸荷20000N的要求。在卸荷负载设定为20000N时，估算卸荷电机所联减速器等惯量为0.53kg.m2，卸荷电机可输出的向上最大加速度为5.7m/s2，满足系统随动加速要求。
探测器运动对垂直拉力系统影响可分成两部分，一部分由卸荷电机及其减速器的惯量和探测器的加速度引起，由卸荷伺服电机承担；另一部分由精调电机及减速器和滚筒惯量及探测器的加速度引起，由精调伺服电机来反馈调节。精调电机的拉力控制精度可按1.5％静态输出扭矩计算，折算到滚筒输出吊绳拉力为±16.7N，稳态精度为0.6％，折算到滚筒输出吊绳拉力为± 6.7N，满足20N的拉力控制精度要求。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“至少三个”的含义是两个或两个以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种环形桁架三维随动系统的控制方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：
S1：以m根绳索具有n自由度索并联系统为研究对象建立坐标系，所述坐标系包括坐标系局部坐标系P-XYZ和全局固定坐标系O-XYZ；局部坐标系P-XYZ的坐标原点P位于快速随动圆盘几何对称中心，全局固定坐标系O-XYZ的坐标原点O在试场地面驱动系统的对称中心，坐标轴Z正向垂直向上；
S2：根据第i根索张力方向的单位矢量、第i根索力作用点在快速随动圆盘局部坐标系中的位置矢径以及m根索组成的拉力矢量，建立系统广义力平衡模型；
系统的广义力平衡方程为：
其中，ui＝(ux uy uz)T＝(cosα cosβ cosγ)T为第i根索张力方向的单位矢量，α,β,γ分别为张力与x,y,z轴的夹角，ri＝(rx ry rz)T为第i根索力作用点在快速随动圆盘局部坐标系中的位置矢径，Ti为第i根索的拉力,m根索组成的拉力矢量T＝(T1 T2…Tm)T；
J为与快速随动圆盘姿态和索张力方向相关的雅可比矩阵，W为索并联系统的广义力；F为惯性力，M为惯性力矩；
S3：计算索并联系统的广义力W：
索并联系统的广义力W可以依据牛顿-欧拉法建立索驱动系统的6自由度动力学模型得到，其中F和M的表达式如下所示；
其中m0为圆盘质量，为圆盘加速度，/>表示圆盘转动角速度，/>表示圆盘转动角加速度，Co表示圆盘质心在固定坐标系下的矢量，Io为圆盘在固定坐标系下的转动惯量；
S4：通过判断m根索组成的拉力矢量T是否满足如下关系：Tmin≤T≤Tmax，确保各拉索不虚牵，转入S5；
S5：以张力最小方差min f(T)为目标对所建立的索系统广义力平衡模型进行优化；
S6:计算索并联驱动系统力控工作空间；
S7：建立索并联驱动系统随动控制方程；确定随动平台在所处位置运动状态下各钢丝绳的张力大小，通过控制伺服电机位移与张力，可以实现索并联驱动系统随动控制；
S8：建立水平快速随动系统控制模型，根据吊绳倾角，计算修正偏差位移，通过伺服电机带动伺服驱动机构驱动快速随动平台，使吊绳倾角保持与重力场一致；
水平快速随动系统的两个运动坐标由控制器控制伺服驱动机构和伺服电机来完成；所述伺服驱动机构包括滚珠丝杠和螺母；
伺服驱动机构的控制方程为：
式中，L是滚珠丝杠的导程，J0为转化到滚珠丝杠上的等效负载的转动惯量，J0＝J2+m(L/2π)2，其中m为移动拖板的质量，J2为滚珠丝杠的转动惯量，C0为等效的转动阻尼系数，Pf为移动拖板对滚珠；其中移动拖板即为前述的拉力调节系统固定平台；
丝杠的轴向作用力，Pf＝μmg+F，μ为导轨摩擦系数，F为移动拖板所受外力在滚珠丝杠轴向分力；K是等效的扭转刚度，对于滚珠丝杠两端固定安装方式，则等效的扭转刚度可计算为
其中K1是电机轴的扭转刚度，K2是滚珠丝杠的扭转刚度，K3为滚珠丝杠的拉压刚度；
S9：设置拉力变化曲线，确定伺服电机工作在力矩模式，进行拉力闭环反馈控制；
拉力调节系统直接跟随探测器上吊点的垂直运动，由运动控制器控制两套伺服驱动器和伺服电机来实现拉力的精确闭环控制；拉力调节系统直接跟随探测器上吊点的垂直运动，由运动控制器控制两套伺服驱动器和伺服电机来实现拉力的精确闭环控制，伺服电机工作在扭矩控制方式，拉力的精确测量直接由上吊点处的力传感器来完成；
伺服电机工作在力矩模式，拉力调节控制系统包括电流反馈环节、滤波器、限幅环节、PARK坐标变换、脉宽调制和功率放大、电机以及电流环控制器；其中，电流反馈环节包含低通滤波器，用惯性环节来表示；PARK坐标变换、脉宽调制和功放为延迟环节，简化为惯性环节来描述，其传递函数可写为，
式中，Gief为电流反馈环节的传递函数、Kief为电流反馈环节的传递函数的放大系数、Tief为电流反馈环节的延迟时间，Gpwm为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的传递函数、Kpwm为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的放大系数、Tpwm为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的、延迟时间；电流环控制器常采用PI控制器，传递函数为，
其中，Kp是电流调节器的比例系数，Ki为电流调节器的时间常数；
得到电流环PI调节器参数为
其中，Kio为电流环开环增益，Tio为时间常数；Te为电机电气时间常数；
满足Kio＝KiKiefKpwm/R Tio＝Tpwm+Tief
将整定好的电流环高频环节做降阶近似处理，将闭环传递函数简化为
2.如权利要求1所述的环形桁架三维随动系统的控制方法，其特征在于，工作空间，具体计算方法如下：
1)对索并联驱动预设工作空间以合理长度划分网格点；
2)提取一个网格点位姿参数X，计算结构矩阵J；
3)判断结构矩阵是否满秩，即rank(J)＝n是否成立，如果不满秩，则该位姿点不属于工作空间，如果满秩，进入下一步；
4)运用索力优化方法计算得到优化结果,检查索力是否满足Tmin≤T≤Tmax条件，若满足，则该点属于工作空间，若不满足，则该点不属于工作空间；
5)返回步骤2)，提取另一网格点重复3)～5)，直到所有网格点计算完毕，即可确定系统工作空间范围。
3.如权利要求2所述的环形桁架三维随动系统的控制方法，其特征在于，S9中，判断试验是否结束，若试验结束则设定为位置控制模式，结束此次控制，若试验未结束，继续进行拉力闭环反馈控制。
4.如权利要求3所述的环形桁架三维随动系统的控制方法，其特征在于，将电流环校正成Ⅰ型系统。
5.如权利要求4所述的环形桁架三维随动系统的控制方法，其特征在于，电流环的简化闭环传递函数Gi(s)为
其中，ξ为电流环闭环阻尼比，ωn为电流环闭环阻尼比和固有频率，满足
6.一种环形桁架三维随动系统，其用于运行权利要求1至5任意一项所述的环形桁架三维随动系统的控制方法，其特征在于，其包括索并联驱动系统、水平随动系统和拉力调节系统，水平随动系统提供水平位置跟随，拉力调节系统实现探测器拉力的精确控制；索并联驱动系统包括拉索主提升索驱动系统、上水平索驱动系统和下水平索驱动系统；主提升索驱动系统、上水平索驱动系统和下水平索驱动系统均设置在场地地面的机房，各个机房的位置位于塔架塔柱的低端所围成的区域之外；主提升所驱动系统通过两个电机实现圆盘的上斜拉；上水平索驱动系统通过一个电机实现圆盘的上水平运动；下水平索驱动系统通过两个电机实现了圆盘的下斜拉；通过下水平索驱动系统的下斜拉将圆盘转运至初始极限位置。
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- 2021-11-30 CN CN202111446973.4A patent/CN114185271B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114185271A (zh) | 2022-03-15 |
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