CN113465860B - 一种六自由度电液振动台的干扰力抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六自由度电液振动台的干扰力抑制方法,包括以下步骤:将六自由度加速度参考信号左乘矩阵J后作为参考信号发生器模块的输入信号;经参考信号发生器模块得输出信号ra;将ra作为积分器1模块的输入信号,得输出信号rv;将rv作为积分器2模块的输入信号,得输出信号rx;采集各阀控缸机构的液压缸活塞杆的位移信号x、速度信号v、加速度信号a和液压缸两腔的压差信号PL;将信号rx、rv、ra、x、v、a、PL作为干扰力抑制控制器模块的输入信号,计算干扰力抑制控制器模块的输出信号u;将干扰力抑制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。本发明明显提高了六自由度电液振动台的控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及多自由度电液振动台,特别是一种六自由度电液振动台的干扰力抑制方法。
背景技术
多自由度电液振动台是大型结构或设备振动环境模拟的关键设备,通过再现环境实测的加速度信号,考核结构或设备在振动环境下的抗振性能,广泛应用于航空航天、桥梁建筑、船舶、车辆等领域。控制***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***的控制器设计,均假设***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***,上述假设并不成立。***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的影响,极大降低了六自由度电液振动台***的控制精度。以电液振动台沿升沉自由度运动为例,分析表明,采用传统控制方法时,升沉自由度的加速度输出信号与加速度参考信号的时域峰值误差约为60%,严重影响了振动台***的控制精度。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题,本发明要设计一种能提高振动台的控制精度的六自由度电液振动台的干扰力抑制方法。
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干扰力抑制方法,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。阀控缸机构1~阀控缸机构6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。
所述的干扰力抑制方法,包括以下步骤:
A、定义振动台的六自由度加速度参考信号为Q0,Q0为6×1列向量,表达式为:
Q0=[x0 y0 z0 Rx0 Ry0 Rz0]T
式中,x0为横向自由度的加速度参考信号;y0为航向自由度的加速度参考信号;z0为升沉自由度的加速度参考信号;Rx0为横摇自由度的加速度参考信号;Ry0为纵摇自由度的加速度参考信号;Rz0为偏航自由度的加速度参考信号;上标T表示向量转置。
将Q0作为顺馈模块的输入信号,输出信号记为Qd,Qd为6×1列向量,计算公式为:
式中,s为拉普拉斯变换中的复变量,Kvr、Kar分别为速度增益、加速度增益。
B、将信号Qd左乘矩阵J,输出信号记为rd,rd为6×1列向量,计算公式为:
rd=JQd
矩阵J的表达式为:
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,计算公式为:
式中,f为转折频率。
D、将ra作为积分器1模块的输入信号,输出信号记为rv,rv为6×1列向量,计算公式为:
E、将rv作为积分器2模块的输入信号,输出信号记为rx,rx为6×1列向量,计算公式为:
F、采集阀控缸机构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作为干扰力抑制控制器模块的输入信号,计算干扰力抑制控制器模块的输出信号u,u为6×1列向量,计算公式为:
α2=mra-(mk1+k2)(v-rv)-k1k2(x-rx)-εAPssat[k1(x-rx)+v-rv]
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,k1、k2、k3均为增益,ε为小于1的正数,sat(·)为饱和函数,计算公式为:
式中,Δ为小于1的正数。
G、将干扰力抑制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.受干扰力等因素的影响,采用传统控制方法时,六自由度电液振动台升沉自由度的加速度输出信号与加速度参考信号的时域峰值误差约为60%。采用本发明提供的方法后,可将六自由度电液振动台升沉自由度的加速度输出信号与加速度参考信号的时域峰值误差控制在40%以内,明显提高了六自由度电液振动台的控制精度。
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,能够满足六自由度电液振动台***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干扰力抑制方法,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。阀控缸机构1~阀控缸机构6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。
所述的干扰力抑制方法,包括以下步骤:
A、定义振动台的六自由度加速度参考信号为Q0,Q0为6×1列向量,表达式为:
Q0=[x0 y0 z0 Rx0 Ry0 Rz0]T
式中,x0为横向自由度的加速度参考信号;y0为航向自由度的加速度参考信号;z0为升沉自由度的加速度参考信号;Rx0为横摇自由度的加速度参考信号;Ry0为纵摇自由度的加速度参考信号;Rz0为偏航自由度的加速度参考信号;上标T表示向量转置。
将Q0作为顺馈模块的输入信号,输出信号记为Qd,Qd为6×1列向量,计算公式为:
式中,s为拉普拉斯变换中的复变量,Kvr、Kar分别为速度增益、加速度增益。
B、将信号Qd左乘矩阵J,输出信号记为rd,rd为6×1列向量,计算公式为:
rd=JQd
矩阵J的表达式为:
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,计算公式为:
式中,f为转折频率。
D、将ra作为积分器1模块的输入信号,输出信号记为rv,rv为6×1列向量,计算公式为:
E、将rv作为积分器2模块的输入信号,输出信号记为rx,rx为6×1列向量,计算公式为:
F、采集阀控缸机构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作为干扰力抑制控制器模块的输入信号,计算干扰力抑制控制器模块的输出信号u,u为6×1列向量,计算公式为:
α2=mra-(mk1+k2)(v-rv)-k1k2(x-rx)-εAPssat[k1(x-rx)+v-rv]
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,k1、k2、k3均为增益,ε为小于1的正数,sat(·)为饱和函数,计算公式为:
式中,Δ为小于1的正数。
G、将干扰力抑制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干扰力抑制方法,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;阀控缸机构1~阀控缸机构6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:所述的干扰力抑制方法,包括以下步骤:
A、定义振动台的六自由度加速度参考信号为Q0,Q0为6×1列向量,表达式为:
Q0=[x0 y0 z0 Rx0 Ry0 Rz0]T
式中,x0为横向自由度的加速度参考信号;y0为航向自由度的加速度参考信号;z0为升沉自由度的加速度参考信号;Rx0为横摇自由度的加速度参考信号;Ry0为纵摇自由度的加速度参考信号;Rz0为偏航自由度的加速度参考信号;上标T表示向量转置;
将Q0作为顺馈模块的输入信号,输出信号记为Qd,Qd为6×1列向量,计算公式为:
式中,s为拉普拉斯变换中的复变量,Kvr、Kar分别为速度增益、加速度增益;
B、将信号Qd左乘矩阵J,输出信号记为rd,rd为6×1列向量,计算公式为:
rd=JQd
矩阵J的表达式为:
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,计算公式为:
式中,f为转折频率;
D、将ra作为积分器1模块的输入信号,输出信号记为rv,rv为6×1列向量,计算公式为:
E、将rv作为积分器2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作为干扰力抑制控制器模块的输入信号,计算干扰力抑制控制器模块的输出信号u,u为6×1列向量,计算公式为:
α2=mra-(mk1+k2)(v-rv)-k1k2(x-rx)-εAPssat[k1(x-rx)+v-rv]
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,k1、k2、k3均为增益,ε为小于1的正数,sat(·)为饱和函数,计算公式为:
式中,Δ为小于1的正数;
G、将干扰力抑制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。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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