CN114371615A - 一种六自由度电液运动平台的干扰力补偿方法 - Google Patents

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关广丰
范大莽
熊伟
王海涛
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Abstract

本发明公开了一种六自由度电液运动平台的干扰力补偿方法，包括以下步骤：定义电液运动平台六自由度位移参考信号为Q0；将信号Q0左乘矩阵J，输出信号记为rd；将rd作为参考信号发生器模块的输入信号，输出信号记为ra；将ra作为第1积分器模块的输入信号，输出信号记为rv；将rv作为第2积分器模块的输入信号，输出信号记为rx；计算补偿控制器模块的输出信号u；将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，驱动六自由度电液运动平台运动。本发明可将六自由度电液运动平台Z向自由度的位移输出信号与位移参考信号的时域峰值误差从传统方法的10％降到3％以内，明显提高了六自由度电液运动平台系统的控制精度。

Description

一种六自由度电液运动平台的干扰力补偿方法
技术领域
本发明涉及六自由度电液运动平台控制技术，特别是一种六自由度电液运动平台的干扰力补偿方法。
背景技术
多自由度电液运动平台通过模拟多个自由度的运动，广泛应用于运动模拟、并联机床等领域。多自由度电液运动平台能模拟真实的运动环境，不受场地和气象条件的限制，在保证使用者安全的同时又节约了成本。随着科技的进步，多自由度运动平台的应用场景不断拓展和深化，各个领域对运动平台控制精度的要求越来越高。
六自由度电液运动平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。传统六自由度电液运动平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以及伺服阀零偏的影响，极大降低了六自由度电液运动平台系统的控制精度。以电液运动平台沿Z向自由度运动为例，分析表明，采用传统控制方法时，Z向自由度的位移输出信号与位移参考信号的时域峰值误差约为10％，严重影响了电液运动平台系统的控制精度。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种六自由度电液运动平台的干扰力补偿方法，能够同时补偿电液运动平台中存在的干扰力和伺服阀零偏，可以有效提高电液运动平台系统的控制精度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种六自由度电液运动平台的干扰力补偿方法，所述的六自由度电液运动平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。6个阀控缸机构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、Vt为液压缸两腔总容积、Kc为伺服阀流量压力系数、Ctc为液压缸总泄漏系数、Kq为伺服阀流量增益。
具体的方法包括以下步骤：
A、定义电液运动平台六自由度位移参考信号为Q0，Q0为6×1列向量，表达式如下：
Q0＝[x0 y0 z0 Rx0 Ry0 Rz0]T
式中，x0为横向自由度的位移参考信号；y0为航向自由度的位移参考信号；z0为升沉自由度的位移参考信号；Rx0为横摇自由度的位移参考信号；Ry0为纵摇自由度的位移参考信号；Rz0为偏航自由度的位移参考信号；上标T表示向量转置。
B、将信号Q0左乘矩阵J，输出信号记为rd，rd为6×1列向量，计算公式如下：
rd＝JQ0
矩阵J的表达式如下：
Figure BDA0003447069870000031
C、将rd作为参考信号发生器模块的输入信号，输出信号记为ra，ra为6×1列向量，计算公式如下：
Figure BDA0003447069870000032
式中，s为拉普拉斯变换中的复变量，f为转折频率。
D、将ra作为第1积分器模块的输入信号，输出信号记为rv，rv为6×1列向量，计算公式如下：
Figure BDA0003447069870000033
E、将rv作为第2积分器模块的输入信号，输出信号记为rx，rx为6×1列向量，计算公式如下：
Figure BDA0003447069870000041
F、采集1号阀控缸机构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PL1，采集2号阀控缸机构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PL2，采集3号阀控缸机构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PL3，采集4号阀控缸机构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PL4，采集5号阀控缸机构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PL5，采集6号阀控缸机构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PL6，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
PL＝[PL1 PL2 PL3 PL4 PL5 PL6]T
将信号rx、rv、ra、x、v、a、PL作为补偿控制器模块的输入信号，计算补偿控制器模块的输出信号u，u为6×1列向量，计算公式如下：
Figure BDA0003447069870000042
Figure BDA0003447069870000043
式中，m为负载质量，Ps为油源供油压力，βe为液压油体积弹性模量，um为伺服阀额定驱动信号，k1、k2、k3均为增益，μ1、μ2、ε1、ε2均为小于1的正数；其中，k1、k2、k3、μ1、μ2、ε1、ε2均由工程师现场设置。
G、将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，驱动六自由度电液运动平台运动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.受干扰力和伺服阀零偏等因素的影响，采用传统控制方法时，六自由度电液运动平台Z向自由度的位移输出信号与位移参考信号的时域峰值误差约为10％。采用本发明提供的方法后，可将六自由度电液运动平台Z向自由度的位移输出信号与位移参考信号的时域峰值误差控制在3％以内，明显提高了六自由度电液运动平台系统的控制精度。
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，能够满足六自由度电液运动平台系统的实验要求，所以本发明易于采用计算机数字控制实现。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明采用的六自由度电液运动平台的结构示意图。
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，一种六自由度电液运动平台的干扰力补偿方法，所述的六自由度电液运动平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。6个阀控缸机构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、Vt为液压缸两腔总容积、Kc为伺服阀流量压力系数、Ctc为液压缸总泄漏系数、Kq为伺服阀流量增益。
具体的方法包括以下步骤：
A、定义电液运动平台六自由度位移参考信号为Q0，Q0为6×1列向量，表达式如下：
Q0＝[x0 y0 z0 Rx0 Ry0 Rz0]T
式中，x0为横向自由度的位移参考信号；y0为航向自由度的位移参考信号；z0为升沉自由度的位移参考信号；Rx0为横摇自由度的位移参考信号；Ry0为纵摇自由度的位移参考信号；Rz0为偏航自由度的位移参考信号；上标T表示向量转置。
B、将信号Q0左乘矩阵J，输出信号记为rd，rd为6×1列向量，计算公式如下：
rd＝JQ0
矩阵J的表达式如下：
Figure BDA0003447069870000071
C、将rd作为参考信号发生器模块的输入信号，输出信号记为ra，ra为6×1列向量，计算公式如下：
Figure BDA0003447069870000072
式中，s为拉普拉斯变换中的复变量，f为转折频率。
D、将ra作为第1积分器模块的输入信号，输出信号记为rv，rv为6×1列向量，计算公式如下：
Figure BDA0003447069870000073
E、将rv作为第2积分器模块的输入信号，输出信号记为rx，rx为6×1列向量，计算公式如下：
Figure BDA0003447069870000081
F、采集1号阀控缸机构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PL1，采集2号阀控缸机构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PL2，采集3号阀控缸机构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PL3，采集4号阀控缸机构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PL4，采集5号阀控缸机构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PL5，采集6号阀控缸机构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PL6，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
PL＝[PL1 PL2 PL3 PL4 PL5 PL6]T
将信号rx、rv、ra、x、v、a、PL作为补偿控制器模块的输入信号，计算补偿控制器模块的输出信号u，u为6×1列向量，计算公式如下：
Figure BDA0003447069870000082
Figure BDA0003447069870000083
式中，m为负载质量，Ps为油源供油压力，βe为液压油体积弹性模量，um为伺服阀额定驱动信号，k1、k2、k3均为增益，μ1、μ2、ε1、ε2均为小于1的正数；其中，k1、k2、k3、μ1、μ2、ε1、ε2均由工程师现场设置。
G、将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，驱动六自由度电液运动平台运动。
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运动平台的干扰力补偿方法，所述的六自由度电液运动平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；6个阀控缸机构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、Vt为液压缸两腔总容积、Kc为伺服阀流量压力系数、Ctc为液压缸总泄漏系数、Kq为伺服阀流量增益；
其特征在于：具体的方法包括以下步骤：
A、定义电液运动平台六自由度位移参考信号为Q0，Q0为6×1列向量，表达式如下：
Q0＝[x0 y0 z0 Rx0 Ry0 Rz0]T
式中，x0为横向自由度的位移参考信号；y0为航向自由度的位移参考信号；z0为升沉自由度的位移参考信号；Rx0为横摇自由度的位移参考信号；Ry0为纵摇自由度的位移参考信号；Rz0为偏航自由度的位移参考信号；上标T表示向量转置；
B、将信号Q0左乘矩阵J，输出信号记为rd，rd为6×1列向量，计算公式如下：
rd＝JQ0
矩阵J的表达式如下：
Figure FDA0003447069860000021
C、将rd作为参考信号发生器模块的输入信号，输出信号记为ra，ra为6×1列向量，计算公式如下：
Figure FDA0003447069860000022
式中，s为拉普拉斯变换中的复变量，f为转折频率；
D、将ra作为第1积分器模块的输入信号，输出信号记为rv，rv为6×1列向量，计算公式如下：
Figure FDA0003447069860000031
E、将rv作为第2积分器模块的输入信号，输出信号记为rx，rx为6×1列向量，计算公式如下：
Figure FDA0003447069860000032
F、采集1号阀控缸机构(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PL1，采集2号阀控缸机构(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PL2，采集3号阀控缸机构(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PL3，采集4号阀控缸机构(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PL4，采集5号阀控缸机构(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PL5，采集6号阀控缸机构(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PL6，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
PL＝[PL1 PL2 PL3 PL4 PL5 PL6]T
将信号rx、rv、ra、x、v、a、PL作为补偿控制器模块的输入信号，计算补偿控制器模块的输出信号u，u为6×1列向量，计算公式如下：
Figure FDA0003447069860000041
Figure FDA0003447069860000042
式中，m为负载质量，Ps为油源供油压力，βe为液压油体积弹性模量，um为伺服阀额定驱动信号，k1、k2、k3均为增益，μ1、μ2、ε1、ε2均为小于1的正数；其中，k1、k2、k3、μ1、μ2、ε1、ε2均由工程师现场设置；
G、将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，驱动六自由度电液运动平台运动。
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