CN114995114A - 一种两自由度电液运动平台的高频干扰力抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度电液运动平台的高频干扰力抑制方法，包括以下步骤：定义两自由度电液运动平台的两自由度位移参考信号为Q₀；将矩阵J左乘信号Q₀；将r_d作为参考信号发生器模块的输入信号；将r_a作为积分器1模块的输入信号；将r_v作为积分器2模块的输入信号；计算抑制控制器模块的输出信号u；将抑制控制器模块的输出信号u作为两个阀控缸机构的驱动信号，输入到两个阀控缸机构，驱动两自由度电液运动平台运动。本发明可将两自由度电液运动平台横摇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，明显提高了两自由度电液运动平台的控制精度。本发明的所有步骤均可通过软件编程实现，易于采用计算机数字控制实现。

Description

一种两自由度电液运动平台的高频干扰力抑制方法

技术领域

本发明涉及电液运动平台控制技术，特别涉及一种两自由度电液运动平台的高频干扰力抑制方法。

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。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。

两自由度电液运动平台由两套阀控缸机构驱动，具有横摇和纵摇两个运动自由度。在运动过程中，电液运动平台会因基础弹性、负载弹性以及柔性连接而产生干扰力，且伺服阀本身存在零偏，这些干扰因素极大降低了两自由度电液运动平台的控制精度。传统控制方法未考虑伺服阀动态特性的影响，导致其在高频工作条件下抑制干扰力的能力严重降低，控制精度严重下降。以电液运动平台沿横摇自由度运动为例，分析表明，在高频工作条件下，采用传统控制方法时，横摇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，本发明要提出一种两自由度电液运动平台的高频干扰力抑制方法，在高频工作条件下能够同时抑制干扰力和伺服阀零偏对电液运动平台的影响，可以有效提高电液运动平台的控制精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种两自由度电液运动平台的高频干扰力抑制方法，所述的两自由度电液运动平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O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号阀控缸机构及2号阀控缸机构上端球铰中心的连线的中心；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。1号阀控缸机构和2号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、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。

具体的抑制方法，包括以下步骤：

A、定义两自由度电液运动平台的两自由度位移参考信号为Q₀，Q₀为2×1列向量，表达式为：

Q₀＝[Rx₀ Ry₀]^T

式中，Rx₀为横摇自由度的位移参考信号，Ry₀是纵摇自由度的位移参考信号，上标T表示向量转置。

B、将矩阵J左乘信号Q₀，输出信号记为r_d，r_d为2×1列向量，计算公式为：

r_d＝JQ₀

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，输出信号记为r_a，r_a为2×1列向量，计算公式为：

式中，s为拉普拉斯变换中的复变量，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，输出信号记为r_v，r_v为2×1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，输出信号记为r_x，r_x为2×1列向量，计算公式为：

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P_L1、伺服阀阀芯位移x_v1，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P_L2、伺服阀阀芯位移x_v2，令：

x＝[x₁ x₂]^T

v＝[v₁ v₂]^T

a＝[a₁ a₂]^T

P_L＝[P_L1 P_L2]^T

x_v＝[x_v1 x_v2]^T

将信号r_x、r_v、r_a、x、v、a、P_L、x_v作为抑制控制器模块的输入信号，计算抑制控制器模块的输出信号u，u为2×1列向量，计算公式为：

α₂＝mr_a-(mk₁+k₂)(v-r_v)-k₁k₂(x-r_x)-μ₃AP_ssat[k₁(x-r_x)+v-r_v]

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，f_v为伺服阀频带宽度，u_m为伺服阀额定驱动信号，k₁、k₂、k₃、k₄均为增益，μ₁、μ₂、μ₃、ε₁均为小于1的正数。其中，k₁、k₂、k₃、k₄、μ₁、μ₂、μ₃、ε₁均由工程师现场设置。sat(·)为饱和函数，计算公式为：

式中，Δ为小于1的正数，由工程师现场设置。

G、将抑制控制器模块的输出信号u作为两个阀控缸机构的驱动信号，输入到两个阀控缸机构，驱动两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、伺服阀零偏以及伺服阀动态特性等因素的影响，在高频工作条件下，采用传统控制方法时，两自由度电液运动平台横摇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％。采用本发明的方法后，可将两自由度电液运动平台横摇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，明显提高了两自由度电液运动平台的控制精度。

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，能够满足两自由度电液运动平台的实验要求，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是本发明采用的两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、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，一种两自由度电液运动平台的高频干扰力抑制方法，所述的两自由度电液运动平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O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及2号阀控缸机构2上端球铰中心的连线的中心；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。1号阀控缸机构1和2号阀控缸机构2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。

具体的抑制方法，包括以下步骤：

A、定义两自由度电液运动平台的两自由度位移参考信号为Q₀，Q₀为2×1列向量，表达式为：

Q₀＝[Rx₀ Ry₀]^T

式中，Rx₀为横摇自由度的位移参考信号，Ry₀是纵摇自由度的位移参考信号，上标T表示向量转置。

B、将矩阵J左乘信号Q₀，输出信号记为r_d，r_d为2×1列向量，计算公式为：

r_d＝JQ₀

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，输出信号记为r_a，r_a为2×1列向量，计算公式为：

式中，s为拉普拉斯变换中的复变量，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，输出信号记为r_v，r_v为2×1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，输出信号记为r_x，r_x为2×1列向量，计算公式为：

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P_L1、伺服阀阀芯位移x_v1，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P_L2、伺服阀阀芯位移x_v2，令：

x＝[x₁ x₂]^T

v＝[v₁ v₂]^T

a＝[a₁ a₂]^T

P_L＝[P_L1 P_L2]^T

x_v＝[x_v1 x_v2]^T

将信号r_x、r_v、r_a、x、v、a、P_L、x_v作为抑制控制器模块的输入信号，计算抑制控制器模块的输出信号u，u为2×1列向量，计算公式为：

α₂＝mr_a-(mk₁+k₂)(v-r_v)-k₁k₂(x-r_x)-μ₃AP_ssat[k₁(x-r_x)+v-r_v]

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，f_v为伺服阀频带宽度，u_m为伺服阀额定驱动信号，k₁、k₂、k₃、k₄均为增益，μ₁、μ₂、μ₃、ε₁均为小于1的正数。其中，k₁、k₂、k₃、k₄、μ₁、μ₂、μ₃、ε₁均由工程师现场设置。sat(·)为饱和函数，计算公式为：

式中，Δ为小于1的正数，由工程师现场设置。

G、将抑制控制器模块的输出信号u作为两个阀控缸机构的驱动信号，输入到两个阀控缸机构，驱动两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)

1.一种两自由度电液运动平台的高频干扰力抑制方法，所述的两自由度电液运动平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O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)及2号阀控缸机构(2)上端球铰中心的连线的中心；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；1号阀控缸机构(1)和2号阀控缸机构(2)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：具体的抑制方法，包括以下步骤：

A、定义两自由度电液运动平台的两自由度位移参考信号为Q₀，Q₀为2×1列向量，表达式为：

Q₀＝[Rx₀ Ry₀]^T

式中，Rx₀为横摇自由度的位移参考信号，Ry₀是纵摇自由度的位移参考信号，上标T表示向量转置；

B、将矩阵J左乘信号Q₀，输出信号记为r_d，r_d为2×1列向量，计算公式为：

r_d＝JQ₀

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，输出信号记为r_a，r_a为2×1列向量，计算公式为：

式中，s为拉普拉斯变换中的复变量，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，输出信号记为r_v，r_v为2×1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，输出信号记为r_x，r_x为2×1列向量，计算公式为：

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P_L1、伺服阀阀芯位移x_v1，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P_L2、伺服阀阀芯位移x_v2，令：

x＝[x₁ x₂]^T

v＝[v₁ v₂]^T

a＝[a₁ a₂]^T

P_L＝[P_L1 P_L2]^T

x_v＝[x_v1 x_v2]^T

将信号r_x、r_v、r_a、x、v、a、P_L、x_v作为抑制控制器模块的输入信号，计算抑制控制器模块的输出信号u，u为2×1列向量，计算公式为：

α₂＝mr_a-(mk₁+k₂)(v-r_v)-k₁k₂(x-r_x)-μ₃AP_ssat[k₁(x-r_x)+v-r_v]

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，f_v为伺服阀频带宽度，u_m为伺服阀额定驱动信号，k₁、k₂、k₃、k₄均为增益，μ₁、μ₂、μ₃、ε₁均为小于1的正数；其中，k₁、k₂、k₃、k₄、μ₁、μ₂、μ₃、ε₁均由工程师现场设置；sat(·)为饱和函数，计算公式为：

式中，Δ为小于1的正数，由工程师现场设置；

G、将抑制控制器模块的输出信号u作为两个阀控缸机构的驱动信号，输入到两个阀控缸机构，驱动两自由度电液运动平台运动。

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