CN116382086B - 一种针对大型伺服液压振动台系统及其级联控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对大型伺服液压振动台系统及其级联控制方法，本发明属于超冗余系统的级联控制解耦技术领域，其中伺服液压振动台系统包括：第一反馈比较器、第一控制器、Cascade力分解矩阵、第二反馈比较器、第二控制器、伺服阀、作动器、压差传感器、位移传感器、空间位置解算器及部件的连接关系；本发明通过伺服液压振动台系统进行级联控制，有效实现解耦控制，解决了大型振动台系统研制过程中作动器个数对系统性能的限制问题，为研制大型或超大型振动台系统解耦控制提供新的解决方法。
Description
技术领域
本发明属于超冗余系统的级联控制解耦技术领域，尤其涉及一种针对大型伺服液压振动台系统及其级联控制方法。
背景技术
振动台试验是最真实地评价结构体系非线性动力响应的方法，能够比较真实地再现地震过程，主要用于检验结构的抗震设计理论、方法和计算模型的正确性。目前电液伺服振动台试验是进行结构抗震研究的一个重要手段，并且已经得到了广泛应用。
目前较先进的电液伺服振动台一般具有三向六自由度，其典型结构如图1所示，振动台的台面上沿垂直向Z装有4个作动器(Z1，Z2，Z3，Z4)，沿水平向X和Y分别装有2个作动器(X1，X2，Y1，Y2)，台面在8个作动器的推动下可沿X、Y、Z轴平动(即X，Y，Z自由度)或绕X、Y、Z轴转动(即Roll，Pitch，Y超冗余系统的级联控制解耦w自由度)。在该系统中由八个作动器来驱动台面进行六自由度运动，从运动学角度来说属于冗余作动器振动台系统。
传统冗余作动器振动台系统均采用6自由度叠加内力解耦的控制策略，即使用6个运动自由度方程和2个力平衡自由度方程计算8个作动器的未知驱动量，方程组的解唯一。
对于一些大型或超大型振动台系统来说，为了驱动更大更重的试件进行运动，需要配置更多数量的作动器并控制其协同运动，比如作动器的个数可能达到14个甚至更多，此时各作动器之间将出现各种内力耦合的可能。
随着系统配置的作动器数量的增加，传统的多模式力平衡控制的扩展是非常具有挑战性的，其力平衡控制策略的复杂性和不稳定性将大大增加；当作动器个数过多时，该控制策略将无法实现。
发明内容
本发明提出了一种针对大型伺服液压振动台系统及其级联控制方法，以解决上述现有技术中存在的受作动器个数限制、系统复杂、实现困难等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种针对大型伺服液压振动台系统包括：第一反馈比较器、第一控制器、Cascade力分解矩阵、第二反馈比较器、第二控制器、伺服阀、作动器、压差传感器、位移传感器和空间位置解算器；
所述空间位置解算器输出端与所述第一反馈比较器输入端连接，所述第一反馈比较器输出端与所述第一控制器输入端连接；
所述第一控制器输出端与所述Cascade力分解矩阵输入端连接；
所述Cascade力分解矩阵输出端、所述压差传感器输出端分别与所述第二反馈比较器输入端连接；
所述第二反馈比较器输出端与所述第二控制器输入端连接，所述第二控制器输出端与所述伺服阀输入端连接，所述伺服阀输出端与所述作动器输入端连接；
所述压差传感器、所述位移传感器分别安装在所述作动器上，所述位移传感器输出端与所述空间位置解算器输入端连接。
优选地，所述第一反馈比较器、所述第一控制器、所述Cascade力分解矩阵、所述第二反馈比较器、所述第二控制器、所述伺服阀、所述作动器和所述压差传感器构成内环力控制闭环；所述位移传感器、所述空间位置解算器和所述第一反馈比较器构成外环自由度位移控制闭环。
优选地，所述第一反馈比较器、所述第一控制器、所述Cascade力分解矩阵、所述第二反馈比较器、所述第二控制器和所述空间位置解算器均为系统控制软件；所述伺服阀、所述作动器、所述压差传感器、所述位移传感器均为系统控制硬件。
本发明还提供了一种针对大型伺服液压振动台系统的级联控制方法，包括以下步骤：
获取输入位移和姿态位移，基于所述输入位移和所述姿态位移，经过所述第一反馈比较器，得到位移误差；基于所述位移误差，经过所述第一控制器，得到位移控制输出信号；基于所述位移控制输出信号，经过所述Cascade力分解矩阵，得到作动器力命令信号；基于所述作动器力命令信号和所述压差传感器测量的作动器压差，经过所述第二反馈比较器，得到作动器力误差；基于所述作动器力误差，经过所述第二控制器，得到伺服阀驱动电流信号；
基于所述伺服阀驱动电流信号驱动所述伺服阀，基于所述伺服阀动作驱动所述作动器运动；通过所述压差传感器采集作动器压差，基于所述作动器压差，经过所述第二反馈比较器，完成级联控制的内环力控制闭环；
通过所述位移传感器采集作动器位移，基于所述作动器位移，经过所述空间位置解算器，计算得到各自由度位移；基于所述各自由度位移，经过所述第一反馈比较器，完成级联控制的外环自由度位移控制闭环。
优选地，所述姿态位移与所述输入位移为同方向。
优选地，所述第一控制器包括：第一比例系数、积分系数和微分系数。
优选地，所述Cascade力分解矩阵还用于输入多种方向的控制信号。
优选地，所述第二控制器包括：第二比例系数和伺服阀驱动信号电流转换系数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
相较于现有振动台系统，本发明提供了一种针对大型超冗余电液伺服的振动台试验系统，大型振动台的作动器个数远超系统自由度个数，各作动器之间存在明显的过约束强耦合作用；本发明能够有效实现解耦控制，解决了大型振动台系统研制过程中作动器个数对系统性能的限制问题，为研制大型或超大型振动台系统解耦控制提供新的解决方法。
本发明还提供了一种针对大型伺服液压振动台系统的级联控制方法，对于大型超冗余系统，当多模式力平衡控制的扩展难以实现时，本发明使用具有6个外环自由度的逆级联控制系统，以自由度位移控制指令通过力和力矩矩阵，将其分解为每个作动器的内部压差控制回路。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为背景技术的三向六自由度振动台结构；
图2为本发明实施例的系统示意图；
图3为本发明实施例的信号流程图；
图4为本发明实施例的控制器设计图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图2所示，本实施例提供了一种针对大型伺服液压振动台系统，包括：反馈比较器1、PID控制器、Cascade力分解矩阵、反馈比较器2、P控制器、伺服阀、作动器、压差传感器、位移传感器、空间位置解算器。
其中，所述反馈比较器1、PID控制器、Cascade力分解矩阵、反馈比较器2、P控制器、空间位置解算器为控制软件算法，所述伺服阀、作动器、压差传感器、位移传感器为控制硬件。
所述反馈比较器1分别与所述空间位置解算器、PID控制器单向电连接；所述PID控制器分别与所述反馈比较器1、Cascade力分解矩阵单向电连接；所述Cascade力分解矩阵分别与所述PID控制器、反馈比较器2单向电连接；所述反馈比较器2分别与所述Cascade力分解矩阵、P控制器、压差传感器单向电连接；所述P控制器分别与所述反馈比较器、伺服阀单向电连接；所述伺服阀与所述P控制器单向电连接、与所述作动器单向液压连接；所述作动器分别与所述伺服阀、压差传感器单向液压连接、与所述位移传感器单向连接；所述压差传感器与所述作动器单向液压连接、与所述反馈比较器2单向电连接；所述位移传感器与所述作动器单向连接、与所述空间位置解算器单向电连接；所述空间位置解算器分别与所述位移传感器、反馈比较器1单向电连接。
本实施例有益效果：
相较于现有振动台系统，大型振动台的作动器个数远超系统自由度个数，各作动器之间存在明显的过约束强耦合作用。
本实施例能够有效实现解耦控制；解决了大型振动台系统研制过程中作动器个数对系统性能的限制问题；为研制大型或超大型振动台系统解耦控制提供新的解决方法。
实施例二
本实施例提供了一种针对大型伺服液压振动台系统的级联控制方法，信号流程图，如图3所示，步骤如下：
步骤1，设定当前给入系统X向位移指令为CDx，所述空间位置解算器计算得到的当前系统X向姿态位移为Dx，所述反馈比较器1得到以上信号进行计算得到当前系统位移误差ΔDx，计算公式如下：
ΔDx＝CDx-Dx
步骤2，系统位置误差ΔDx信号传输至所述PID控制器，经比例系数Kdp、积分系数Kdi和微分系数Kdd计算后，得到X向位移控制输出信号ODx,计算公式如下：
步骤3，X向位移控制输出信号ODx传输至所述Cascade力分解矩阵，同时结合Y/Z/Roll/Pitch/Yaw方向的控制信号得到作动器力命令信号CFa1，计算公式如下：
CFa1＝axODx+ayODy+azODz+arODr+apODp+awODw
其中：ax为X向分解矩阵系数；ay为Y向分解矩阵系数；az为Z向分解矩阵系数；ar为Roll向分解矩阵系数；ap为Pitch向分解矩阵系数；aw为Yaw向分解矩阵系数；ODy为Y向位移控制输出信号；ODz为Z向位移控制输出信号；ODr为Roll向位移控制输出信号；ODp为Pitch向位移控制输出信号；ODw为Yaw向位移控制输出信号；
步骤4，作动器力命令信号CFa1传输至所述反馈比较器2，与所述压差传感器测量的作动器压差Fa1比较计算得到当前作动器力误差ΔFa1，计算公式如下：
ΔFa1＝CFa1-Fa1
步骤5,作动器力误差ΔFa1传输至所述P控制器，经比例系数Kfp计算后，得到作动器力控制输出信号并转换为所述伺服阀驱动电流信号SDa1,计算公式如下：
SDa1＝KfpΔFa1×fsd
其中：fsd为伺服阀驱动信号电流转换系数；
步骤6，伺服阀驱动电流信号SDa1驱动所述伺服阀工作，所述伺服阀动作驱动所述作动器运动。
步骤7，安装于所述作动器上的所述压力传感器采集作动器压差Fa1，反馈传输至所述反馈比较器2，完成级联控制的内环力控制闭环。
步骤8，安装于所述作动器上的所述位移传感器采集作动器位移，传输至所述空间位置解算器。
步骤9，所述空间位置解算器根据各作动器位移迭代计算系统当前各自由度位移。其中，当前系统X向姿态位移为Dx传输至所述反馈比较器1，完成级联控制的外环自由度位移控制闭环。
如图4所示，目前应用于14作动器6自由度平台的控制器设计图。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种针对大型伺服液压振动台系统，其特征在于，包括：第一反馈比较器、第一控制器、Cascade力分解矩阵、第二反馈比较器、第二控制器、伺服阀、作动器、压差传感器、位移传感器和空间位置解算器；
所述空间位置解算器输出端与所述第一反馈比较器输入端连接，所述第一反馈比较器输出端与所述第一控制器输入端连接；
所述第一控制器输出端与所述Cascade力分解矩阵输入端连接；
所述Cascade力分解矩阵输出端、所述压差传感器输出端分别与所述第二反馈比较器输入端连接；
所述第二反馈比较器输出端与所述第二控制器输入端连接，所述第二控制器输出端与所述伺服阀输入端连接，所述伺服阀输出端与所述作动器输入端连接；
所述压差传感器、所述位移传感器分别安装在所述作动器上，所述位移传感器输出端与所述空间位置解算器输入端连接。
2.根据权利要求1所述的针对大型伺服液压振动台系统，其特征在于，
所述第一反馈比较器、所述第一控制器、所述Cascade力分解矩阵、所述第二反馈比较器、所述第二控制器、所述伺服阀、所述作动器和所述压差传感器构成内环力控制闭环；所述位移传感器、所述空间位置解算器和所述第一反馈比较器构成外环自由度位移控制闭环。
3.根据权利要求1所述的针对大型伺服液压振动台系统，其特征在于，所述第一反馈比较器、所述第一控制器、所述Cascade力分解矩阵、所述第二反馈比较器、所述第二控制器和所述空间位置解算器均为系统控制软件；所述伺服阀、所述作动器、所述压差传感器、所述位移传感器均为系统控制硬件。
4.根据权利要求1-3任一项所述针对大型伺服液压振动台系统的级联控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取输入位移和姿态位移，基于所述输入位移和所述姿态位移，经过所述第一反馈比较器，得到位移误差；基于所述位移误差，经过所述第一控制器，得到位移控制输出信号；基于所述位移控制输出信号，经过所述Cascade力分解矩阵，得到作动器力命令信号；基于所述作动器力命令信号和所述压差传感器测量的作动器压差，经过所述第二反馈比较器，得到作动器力误差；基于所述作动器力误差，经过所述第二控制器，得到伺服阀驱动电流信号；
基于所述伺服阀驱动电流信号驱动所述伺服阀，基于所述伺服阀动作驱动所述作动器运动；通过所述压差传感器采集作动器压差，基于所述作动器压差，经过所述第二反馈比较器，完成级联控制的内环力控制闭环；
通过所述位移传感器采集作动器位移，基于所述作动器位移，经过所述空间位置解算器，计算得到各自由度位移；基于所述各自由度位移，经过所述第一反馈比较器，完成级联控制的外环自由度位移控制闭环。
5.根据权利要求4所述的针对大型伺服液压振动台系统的级联控制方法，其特征在于，所述姿态位移与所述输入位移为同方向。
6.根据权利要求4所述的针对大型伺服液压振动台系统的级联控制方法，其特征在于，所述第一控制器包括：第一比例系数、积分系数和微分系数。
7.根据权利要求4所述的针对大型伺服液压振动台系统的级联控制方法，其特征在于，所述Cascade力分解矩阵还用于输入多种方向的控制信号。
8.根据权利要求4所述的针对大型伺服液压振动台系统的级联控制方法，其特征在于，所述第二控制器包括：第二比例系数和伺服阀驱动信号电流转换系数。
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