CN117330273A - 一种六自由度电液振动台负载干扰力补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度电液振动台的负载干扰力补偿方法，包括以下几个步骤：将六自由度电液振动台的加速度参考波形信号R_a作为前馈滤波器模块的输入信号，输出信号记为R_d；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q_am；将q_am作为第一个积分器模块的输入信号，输出信号记为q_vm；将q_vm作为第二个积分器模块的输入信号，其输出信号记为q_dm；得到六自由度电液振动台的位姿信号q_d、速度信号q_v和加速度信号q_a；计算负载干扰力补偿控制器模块的输出信号u；将u作为六个阀控缸机构的驱动信号。本发明可将六自由度电液振动台Z向自由度的加速度跟踪误差的时域峰值控制在30％以内，明显削弱了各个自由度之间的耦合对控制精度的影响。

Description

一种六自由度电液振动台负载干扰力补偿方法

技术领域

本发明涉及六自由度电液振动台，特别是一种六自由度电液振动台的负载干扰力补偿方法。

背景技术

六自由度电液振动台可以模拟试件所处的复杂振动环境来测试结构在振动激励下的可靠性问题。通过高精度复现真实环境实测的加速度信号，来检测结构件在振动环境下的抗振性能。六自由度电液振动台被广泛应用于桥梁建筑、航空航天、车辆等领域。加速度伺服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，是通过运动学分析将电液振动台六个自由度的指令信号解算为相应六个阀控缸机构的运动信号。该方法忽略了由负载产生的各自由度之间的动力学耦合，波形复现的精度有限，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Z向平动自由度运动为例，采用传统控制方法时，Z向自由度的加速度跟踪误差的时域峰值误差超过了40％，严重影响了振动台系统的控制精度。

中国专利ZL202110736834.9公开了《一种六自由度电液振动台的干扰力补偿方法》，该方法通过运动学分析将自由度信号解算为各个阀控缸机构的信号，设计干扰补偿控制器。该方法没有考虑由负载产生的各个自由度之间的动力学耦合，对负载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，本发明要设计一种六自由度电液振动台的负载干扰力补偿方法，可以有效提高加速度参考波形信号的跟踪精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种六自由度电液振动台的负载干扰力补偿方法，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。

所述负载干扰力补偿方法包括以下几个步骤：

A、定义六自由度电液振动台的加速度参考波形信号为R_a，R_a为6×1列向量，其表达式为：

R_a＝[x y z Rx Ry Rz]^T

式中，x为横向自由度的加速度参考信号；y为航向自由度的加速度参考信号；z为升沉自由度的加速度参考信号；Rx为横摇自由加速度参考信号；Ry为纵摇自由度的加速度参考信号；Rz为偏航自由度的加速度参考信号；上标T表示向量转置。

将R_a作为前馈滤波器模块的输入信号，输出信号记为R_d，前馈滤波器模块的计算公式为：

式中，s为拉普拉斯变换中的复变量,ω₀为固有频率、ξ为阻尼比、K_a为加速度增益、K_v为速度增益。

B、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q_am，q_am为6×1列向量。参考信号发生器模块的计算公式为：

式中，f₁、f₂均为转折频率，且f₁<f₂。

C、将q_am作为第一个积分器模块的输入信号，输出信号记为q_vm，q_vm为6×1列向量。积分器模块的公式为：

D、将q_vm作为第二个积分器模块的输入信号，其输出信号记为q_dm，q_dm为6×1列向量，计算公式为：

E、采集1～6号阀控缸机构中液压缸活塞杆的位移信号x_i、速度信号v_i、加速度信号a_i、液压缸两腔的压差信号P_Li，其中i＝1～6，分别对应1～6号阀控缸机构。设：

l_x＝[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆]^T

l_v＝[v₁ v₂ v₃ v₄ v₅ v₆]^T

l_a＝[a₁ a₂ a₃ a₄ a₅ a₆]^T

P_L＝[P_L1 P_L2 P_L3 P_L4 P_L5 P_L6]^T

F、将采集到的1～6号阀控缸机构中液压缸活塞杆的位移信号、速度信号、加速度信号输入给合成矩阵，得到六自由度电液振动台的位姿信号q_d、速度信号q_v和加速度信号q_a；

合成矩阵计算公式为：

q_d＝J^-1l_x

q_v＝J^-1l_v

q_a＝J^-1l_a

其中J^-1为雅可比矩阵J的逆矩阵，雅可比矩阵J的表达式为：

G、将信号q_am、q_vm、q_dm、q_d、q_v、q_a、P_L作为负载干扰力补偿器模块的输入信号，计算负载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：

α₂＝-MK₁(q_v-q_vm)+J^TAP_Lm-K₂K₁(q_d-q_dm)-K₂(q_v-q_vm)-

D₁tanh[ε₁ ^-1(K₁q_d-K₁q_dm+q_v-q_vm)]

式中，M为负载质量矩阵，A为液压缸活塞的有效面积，V_t为液压缸两腔总容积，β_e为液压油体积弹性模量，K_ce为伺服阀流量压力系数和液压缸内泄漏系数之和，K_q0为伺服阀空载最大流量，k_f为位置反馈增益系数、k_d为伺服阀电气增益系数，K₁、K₂、K₃、D₁、ε₁均为六阶对角阵。K₁、K₂、K₃、D₁、ε₁均由工程师现场调试。

H、将负载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.受六自由度电液振动台负载产生的各自由度之间的动力学耦合等因素的影响，采用传统控制方法时，六自由度电液振动台Z向自由度的加速度跟踪的时域峰值误差约为40％。采用本发明可将六自由度电液振动台Z向自由度的加速度跟踪误差的时域峰值控制在30％以内，明显削弱了各个自由度之间的耦合对系统控制精度的影响。

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负载干扰力补偿方法，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。

所述负载干扰力补偿方法包括以下几个步骤：

A、定义六自由度电液振动台的加速度参考波形信号为R_a，R_a为6×1列向量，其表达式为：

R_a＝[x y z Rx Ry Rz]^T

式中，x为横向自由度的加速度参考信号；y为航向自由度的加速度参考信号；z为升沉自由度的加速度参考信号；Rx为横摇自由加速度参考信号；Ry为纵摇自由度的加速度参考信号；Rz为偏航自由度的加速度参考信号；上标T表示向量转置。

将R_a作为前馈滤波器模块的输入信号，输出信号记为R_d，前馈滤波器模块的计算公式为：

式中，s为拉普拉斯变换中的复变量,ω₀为固有频率、ξ为阻尼比、K_a为加速度增益、K_v为速度增益。

B、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q_am，q_am为6×1列向量。参考信号发生器模块的计算公式为：

式中，f₁、f₂均为转折频率，且f₁<f₂。

C、将q_am作为第一个积分器模块的输入信号，输出信号记为q_vm，q_vm为6×1列向量。积分器模块的公式为：

D、将q_vm作为第二个积分器模块的输入信号，其输出信号记为q_dm，q_dm为6×1列向量，计算公式为：

E、采集1～6号阀控缸机构中液压缸活塞杆的位移信号x_i、速度信号v_i、加速度信号a_i、液压缸两腔的压差信号P_Li，其中i＝1～6，分别对应1～6号阀控缸机构。设：

l_x＝[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆]^T

l_v＝[v₁ v₂ v₃ v₄ v₅ v₆]^T

l_a＝[a₁ a₂ a₃ a₄ a₅ a₆]^T

P_L＝[P_L1 P_L2 P_L3 P_L4 P_L5 P_L6]^T

F、将采集到的1～6号阀控缸机构中液压缸活塞杆的位移信号、速度信号、加速度信号输入给合成矩阵，得到六自由度电液振动台的位姿信号q_d、速度信号q_v和加速度信号q_a；

合成矩阵计算公式为：

q_d＝J^-1l_x

q_v＝J^-1l_v

q_a＝J^-1l_a

其中J^-1为雅可比矩阵J的逆矩阵，雅可比矩阵J的表达式为：

G、将信号q_am、q_vm、q_dm、q_d、q_v、q_a、P_L作为负载干扰力补偿器模块的输入信号，计算负载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：

α₂＝-MK₁(q_v-q_vm)+J^TAP_Lm-K₂K₁(q_d-q_dm)-K₂(q_v-q_vm)-

D₁tanh[ε₁ ^-1(K₁q_d-K₁q_dm+q_v-q_vm)]

式中，M为负载质量矩阵，A为液压缸活塞的有效面积，V_t为液压缸两腔总容积，β_e为液压油体积弹性模量，K_ce为伺服阀流量压力系数和液压缸内泄漏系数之和，K_q0为伺服阀空载最大流量，k_f为位置反馈增益系数、k_d为伺服阀电气增益系数，K₁、K₂、K₃、D₁、ε₁均为六阶对角阵。K₁、K₂、K₃、D₁、ε₁均由工程师现场调试。

H、将负载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负载干扰力补偿方法，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；

其特征在于：所述负载干扰力补偿方法包括以下几个步骤：

A、定义六自由度电液振动台的加速度参考波形信号为R_a，R_a为6×1列向量，其表达式为：

R_a＝[x y z Rx Ry Rz]^T

式中，x为横向自由度的加速度参考信号；y为航向自由度的加速度参考信号；z为升沉自由度的加速度参考信号；Rx为横摇自由加速度参考信号；Ry为纵摇自由度的加速度参考信号；Rz为偏航自由度的加速度参考信号；上标T表示向量转置；

将R_a作为前馈滤波器模块的输入信号，输出信号记为R_d，前馈滤波器模块的计算公式为：

式中，s为拉普拉斯变换中的复变量,ω₀为固有频率、ξ为阻尼比、K_a为加速度增益、K_v为速度增益；

B、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q_am，q_am为6×1列向量；参考信号发生器模块的计算公式为：

式中，f₁、f₂均为转折频率，且f₁<f₂；

C、将q_am作为第一个积分器模块的输入信号，输出信号记为q_vm，q_vm为6×1列向量；积分器模块的公式为：

D、将q_vm作为第二个积分器模块的输入信号，其输出信号记为q_dm，q_dm为6×1列向量，计算公式为：

E、采集1～6号阀控缸机构中液压缸活塞杆的位移信号x_i、速度信号v_i、加速度信号a_i、液压缸两腔的压差信号P_Li，其中i＝1～6，分别对应1～6号阀控缸机构；设：

l_x＝[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆]^T

l_v＝[v₁ v₂ v₃ v₄ v₅ v₆]^T

l_a＝[a₁ a₂ a₃ a₄ a₅ a₆]^T

P_L＝[P_L1 P_L2 P_L3 P_L4 P_L5 P_L6]^T

F、将采集到的1～6号阀控缸机构中液压缸活塞杆的位移信号、速度信号、加速度信号输入给合成矩阵，得到六自由度电液振动台的位姿信号q_d、速度信号q_v和加速度信号q_a；

合成矩阵计算公式为：

q_d＝J^-1l_x

q_v＝J^-1l_v

q_a＝J^-1l_a

其中J^-1为雅可比矩阵J的逆矩阵，雅可比矩阵J的表达式为：

G、将信号q_am、q_vm、q_dm、q_d、q_v、q_a、P_L作为负载干扰力补偿器模块的输入信号，计算负载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：

α₂＝-MK₁(q_v-q_vm)+J^TAP_Lm-K₂K₁(q_d-q_dm)-K₂(q_v-q_vm)-D₁tanh[ε₁ ^-1(K₁q_d-K₁q_dm+q_v-q_vm)]

式中，M为负载质量矩阵，A为液压缸活塞的有效面积，V_t为液压缸两腔总容积，β_e为液压油体积弹性模量，K_ce为伺服阀流量压力系数和液压缸内泄漏系数之和，K_q0为伺服阀空载最大流量，k_f为位置反馈增益系数、k_d为伺服阀电气增益系数，K₁、K₂、K₃、D₁、ε₁均为六阶对角阵。K₁、K₂、K₃、D₁、ε₁均由工程师现场调试；

H、将负载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。