一种六自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法与流程

本发明涉及一种六自由度双电液振动台，特别是一种六自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法。

背景技术：

电液振动台是振动环境模拟的重要设备，广泛应用于航天、汽车、船舶、桥梁和土木工程建筑等领域。随着科技的发展，试件的结构尺寸越来越大。单振动台振动模拟实验很难达到指定的运动状态来模拟真实的振动环境。振动台台阵系统由两个或两个以上的振动台组成，为大跨度结构试件的振动模拟试验创造了必要条件。

台阵系统多为冗余驱动系统，驱动机构的数量多于系统的运动自由度数，因此会产生冗余力。如果控制策略选取不当，将使台阵系统中各驱动机构间出现较大的内力耦合，过多的消耗能量，严重时可导致系统无法运动。

六自由度双电液振动台台阵模拟平台由10套阀控缸机构驱动，六个运动自由度，是典型的冗余驱动系统。现有的针对单振动台的控制方法无法直接应用于控制台阵模拟系统运动。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以有效的降低台阵模拟系统的冗余力的六自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种六自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法，所述的六自由度双电液振动台台阵模拟系统包括下平台、上平台a、上平台b、桥墩a、桥墩b、桥板、三个水平向阀控缸机构、七个垂直向阀控缸机构和三个反力墙，所述的三个水平向阀控缸机构分别为5号阀控缸机构、6号阀控缸机构和7号阀控缸机构，所述的七个垂直向阀控缸机构分别为1号阀控缸机构、2号阀控缸机构、3号阀控缸机构、4号阀控缸机构、8号阀控缸机构、9号阀控缸机构和10号阀控缸机构，所述三个反力墙为1号反力墙、2号反力墙和3号反力墙；所述的1号阀控缸机构、2号阀控缸机构、3号阀控缸机构和4号阀控缸机构的上端分别通过各自的虎克铰与上平台a连接；所述的1号阀控缸机构、2号阀控缸机构、3号阀控缸机构和4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；所述的8号阀控缸机构、9号阀控缸机构和10号阀控缸机构的上端分别通过各自的虎克铰与上平台b连接；所述的8号阀控缸机构、9号阀控缸机构和10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；所述的5号阀控缸机构、6号阀控缸机构和7号阀控缸机构的外端分别通过各自的虎克铰与1号反力墙、2号反力墙和3号反力墙连接，所述的1号反力墙、2号反力墙和3号反力墙固定在下平台上；所述的5号阀控缸机构、6号阀控缸机构和7号阀控缸机构的内端分别通过各自的虎克铰与上平台b连接；

所述的上平台a通过桥墩a和桥板连接；所述的上平台b通过桥墩b和桥板连接；

所述的位姿控制方法，包括以下步骤：

a、以桥板的几何中心o为控制点，在控制点建立o-xyz坐标系。ox轴正方向由o点指向2号阀控缸机构上端虎克铰铰点中心与10号阀控缸机构上端虎克铰铰点中心的连线的中点，且与该连线垂直；oz轴正方向垂直指向下平台；ox、oy和oz三个坐标轴的方向满足右手定则。六自由度双电液振动台台阵模拟系统有六个自由度，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轴的平动、沿oy轴的平动、沿oz轴的平动。

给定期望的台阵模拟系统六自由度位姿指令信号为yo，yo是一个6×1的列向量，如下式：

yo＝(rxryrzdxdydz)^t

式中，上标“t”表示矩阵转置，rx是横摇角，ry是纵摇角，rz为偏航角，dx为沿ox轴的位移，dy为沿oy轴的位移，dz为沿oz的位移。

设yf的初始值为(000000)^t，yo减去台阵模拟系统反馈的位姿信号yf，将所得的偏差信号作为pi控制器的输入信号，pi控制器的输出信号为w，w是6×1列向量；将信号w右乘自由度分解矩阵hf，输出信号即为xo，xo是10×1列向量，w是6×1列向量，计算公式为：

xo＝hfw

式中，hf为10×6矩阵：

式中，d1为控制点o与1号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心a1的连线在oy轴上的投影长度；d2为控制点o与1号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心a1的连线在ox轴上的投影长度；d3为控制点o与2号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心a2的连线在oy轴上的投影长度；d4为控制点o与3号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心a3的连线在ox轴上的投影长度；d5为控制点o与5号阀控缸机构内端的虎克铰铰点中心a5的连线在oz轴上的投影长度；d6为控制点o与6号阀控缸机构内端的虎克铰铰点中心a6的连线在oy轴上的投影长度；d7为控制点o与7号阀控缸机构内端的虎克铰铰点中心a7的连线在oy轴上的投影长度；d8为控制点o与8号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心a8的连线在oy轴上的投影长度；d9为控制点o与8号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心a8的连线在ox轴上的投影长度；d10为控制点o与9号阀控缸机构上端的虎克铰铰点中心a9的连线在oy轴上的投影长度；

b、采集10个阀控缸机构中液压缸的位移信号d，d是10×1列向量，并将信号d右乘自由度合成矩阵hc，得到台阵模拟系统反馈的位姿信号yf。自由度合成矩阵hc是6×10矩阵，台阵模拟系统反馈的位姿信号yf是6×1列向量，计算公式为：

hc＝pinv(hf)

yf＝hcd

式中，pinv(hf)表示求取矩阵hf的moore-penrose伪逆；

c、采集10个阀控缸机构中液压缸的压差信号f，f为10×1列向量，经过冗余力计算模块，得到10个阀控缸机构的冗余力s，s是10×1列向量，s的计算公式为：

s＝aef-(pinv(hf^t))(hf^taef)

式中，ae为阀控缸机构中液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积；上标“t”表示矩阵转置。

将s作为pid控制器的输入信号，pid控制器的输出信号即为冗余力补偿信号xf.

d、将信号x0减去信号xf，所得结果作为10个阀控缸机构的驱动信号，输入到10个阀控缸机构，驱动六自由度双电液振动台台阵模拟系统运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过采集10个阀控缸机构中液压缸的压差信号，利用自由度分解矩阵求取冗余力补偿信号，利用冗余力补偿信号调节阀控缸机构的驱动信号，使各阀控缸机构中的冗余力减小到额定供油压力的15％以内。

2、本发明的所有步骤均可通过软件编程实现。在cpu为intelpd2.6g、内存为1g的advantech工控机ipc-610上测试，算法的运行周期小于1ms，能够满足台阵模拟系统的实验要求，所以本发明易于采用计算机数字控制实现。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明采用的台阵模拟系统的结构示意图。

图3是图2的主视图。

图4是图2的俯视图。

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、7号阀控缸机构，8、8号阀控缸机构，9、9号阀控缸机构，10、10号阀控缸机构，11、1号反力墙，12、2号反力墙，13、3号反力墙，14、桥墩a，15、桥墩b，16、桥板，17、上平台a，18、上平台b，19、下平台。

yo为给定的台阵模拟系统位姿指令信号，yf为台阵模拟系统反馈的位姿信号，w为pi控制器输出信号，hf为自由度分解矩阵，hc为自由度合成矩阵，xo为由自由度分解矩阵hf得到的信号，xf为冗余力补偿信号，d为10个阀控缸机构的位移信号，s为10个阀控缸机构的冗余力，f为10个阀控缸机构中液压缸的压差信号。

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1-4所示，一种六自由度双电液振动台台阵模拟系统的位姿控制方法，所述的六自由度双电液振动台台阵模拟系统包括下平台19、上平台a17、上平台b18、桥墩a14、桥墩b15、桥板16、三个水平向阀控缸机构、七个垂直向阀控缸机构和三个反力墙，所述的三个水平向阀控缸机构分别为5号阀控缸机构5、6号阀控缸机构6和7号阀控缸机构7，所述的七个垂直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、3号阀控缸机构3、4号阀控缸机构4、8号阀控缸机构8、9号阀控缸机构9和10号阀控缸机构10，所述的三个反力墙为1号反力墙11、2号反力墙12和3号反力墙13；所述的1号阀控缸机构1、2号阀控缸机构2、3号阀控缸机构3和4号阀控缸机构4的上端分别通过各自的虎克铰与上平台a17连接；所述的1号阀控缸机构1、2号阀控缸机构2、3号阀控缸机构3和4号阀控缸机构4的下端分别通过各自的虎克铰与下平台19连接；所述的8号阀控缸机构8、9号阀控缸机构9和10号阀控缸机构10的上端分别通过各自的虎克铰与上平台b18连接；所述的8号阀控缸机构8、9号阀控缸机构9和10号阀控缸机构10的下端分别通过各自的虎克铰与下平台19连接；所述的5号阀控缸机构5、6号阀控缸机构6和7号阀控缸机构7的外端分别通过各自的虎克铰与1号反力墙11、2号反力墙12和3号反力墙13连接，所述的1号反力墙11、2号反力墙12和3号反力墙13固定在下平台19上；所述的5号阀控缸机构5、6号阀控缸机构6和7号阀控缸机构7的内端分别通过各自的虎克铰与上平台b18连接；

所述的上平台a17通过桥墩a14和桥板16连接；所述的上平台b18通过桥墩b15和桥板16连接；

所述的位姿控制方法，包括以下步骤：

a、以桥板16的几何中心o为控制点，在控制点建立o-xyz坐标系。ox轴正方向由o点指向2号阀控缸机构2上端虎克铰铰点中心与10号阀控缸机构10上端虎克铰铰点中心的连线的中点，且与该连线垂直；oz轴正方向垂直指向下平台19；ox、oy和oz三个坐标轴的方向满足右手定则。六自由度双电液振动台台阵模拟系统有六个自由度，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轴的平动、沿oy轴的平动、沿oz轴的平动。

给定期望的台阵模拟系统六自由度位姿指令信号为yo，yo是一个6×1的列向量，如下式：

yo＝(rxryrzdxdydz)^t

式中，上标“t”表示矩阵转置，rx是横摇角，ry是纵摇角，rz为偏航角，dx为沿ox轴的位移，dy为沿oy轴的位移，dz为沿oz的位移。

设yf的初始值为(000000)^t，yo减去台阵模拟系统反馈的位姿信号yf，将所得的偏差信号作为pi控制器的输入信号，pi控制器的输出信号为w，w是6×1列向量；将信号w右乘自由度分解矩阵hf，输出信号即为xo，xo是10×1列向量，w是6×1列向量，计算公式为：

xo＝hfw

式中，hf为10×6矩阵：

式中，d1为控制点o与1号阀控缸机构1上端的虎克铰铰点中心a1的连线在oy轴上的投影长度；d2为控制点o与1号阀控缸机构1上端的虎克铰铰点中心a1的连线在ox轴上的投影长度；d3为控制点o与2号阀控缸机构2上端的虎克铰铰点中心a2的连线在oy轴上的投影长度；d4为控制点o与3号阀控缸机构3上端的虎克铰铰点中心a3的连线在ox轴上的投影长度；d5为控制点o与5号阀控缸机构5内端的虎克铰铰点中心a5的连线在oz轴上的投影长度；d6为控制点o与6号阀控缸机构6内端的虎克铰铰点中心a6的连线在oy轴上的投影长度；d7为控制点o与7号阀控缸机构7内端的虎克铰铰点中心a7的连线在oy轴上的投影长度；d8为控制点o与8号阀控缸机构8上端的虎克铰铰点中心a8的连线在oy轴上的投影长度；d9为控制点o与8号阀控缸机构8上端的虎克铰铰点中心a8的连线在ox轴上的投影长度；d10为控制点o与9号阀控缸机构9上端的虎克铰铰点中心a9的连线在oy轴上的投影长度；

b、采集10个阀控缸机构中液压缸的位移信号d，d是10×1列向量，并将信号d右乘自由度合成矩阵hc，得到台阵模拟系统反馈的位姿信号yf。自由度合成矩阵hc是6×10矩阵，台阵模拟系统反馈的位姿信号yf是6×1列向量，计算公式为：

hc＝pinv(hf)

yf＝hcd

式中，pinv(hf)表示求取矩阵hf的moore-penrose伪逆；

d、采集10个阀控缸机构中液压缸的压差信号f，f为10×1列向量，经过冗余力计算模块，得到10个阀控缸机构的冗余力s，s是10×1列向量，s的计算公式为：

式中，ae为阀控缸机构中液压缸活塞与活塞杆之间的环形有效面积；上标“t”表示矩阵转置。

将s作为pid控制器的输入信号，pid控制器的输出信号即为冗余力补偿信号xf.

e、将信号x0减去信号xf，所得结果作为10个阀控缸机构的驱动信号，输入到10个阀控缸机构，驱动六自由度双电液振动台台阵模拟系统运动。

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。