本发明涉及海上运输作业设备领域，尤其涉及一种多自由度位移变化补偿平台的控制方法、控制系统。
背景技术：
由于风浪的影响，海上作业的船舶会产生无规律的摇摆，这严重影响了工作人员在海上作业时的安全性。因此，常常通过设置多自由度平台，通过调节六个执行器的伸缩和摇摆来实时补偿上平台的横摇、纵摇和升沉，从而使上平台保持平稳。但现有的多自由度平台的波浪补偿过程中，各个执行器的补偿量不准确，而且不能提前预测下平台的运动趋势，导致补偿具有滞后性，补偿准确度差，在海浪运动过程中上平台不能始终保持在同一水平面上。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种波浪补偿精度高，确保上平台始终保持在同一水平面上的多自由度位移变化补偿平台的控制方法、控制系统。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种多自由度位移变化补偿平台的控制方法，包括控制器和多自由度平台，所述多自由度平台包括上平台、下平台和铰接于上平台和下平台之间的六个执行器，所述控制器通过伺服阀驱动所述执行器的活塞杆伸缩，包括以下步骤：
步骤a，在所述上平台建立静坐标系oxyz，选取所述上平台的外接圆的圆心为静坐标系原点，并且在所述下平台建立动坐标系o′x′y′z′，选取所述下平台的外接圆的圆心为动坐标系原点，定义初始状态为动坐标系原点o′和静坐标系原点重合o，和所述控制器存储六个所述执行器的下铰接点bi与上铰接点ai之间的初始长度li，其中(i＝1，2，...，6)；
步骤b，通过姿态传感器测量所述下平台的姿态，读取所述下平台沿着x、y、z三个轴的线位移量q1、q2、q3和绕x、y、z三个轴的角位移量q4、q5、q6，共读取所述下平台上六个自由度的位移量；
步骤c，所述控制器根据所述姿态传感器在步骤b中的读取数据，求出六个所述执行器的下铰接点bi在动坐标系的坐标值，和求出六个所述执行器的上铰接点ai在静坐标系的坐标值，其中(i＝1，2，...，6)；
步骤d，所述控制器通过转换矩阵t，求出所述上铰接点bi在动坐标系的坐标值转换到静坐标系中的矩阵ci＝t·b，进而计算出所述上铰接点bi和所述下铰接点ai的距离di以及所述执行器的活塞杆的伸缩量δdi，其中
步骤e，所述控制器根据六个所述执行器的活塞杆的伸缩量δdi，得出六个所述执行器对应的补偿量ki＝-δdi，然后控制六个所述伺服阀分别驱动对应的所述执行器的活塞杆运动直至达到对应的补偿量ki，从而在所述下平台运动的情况下，所述上平台始终保持在同一个水平高度。
优选地，还包括：
步骤f，所述姿态传感器测量并读取所述下平台的实际运动曲线；
步骤g，所述控制器根据步骤f中的所述实际运动曲线，采用时间序列模型衍算出所述下平台的未来运动曲线；然后通过最小二乘法对未来运动曲线进行插值计算，预测出所述下平台在下一个时刻的线位移量q1、q2、q3和角位移量q4、q5、q6；接着重复步骤c、d和e，先于所述下平台的实际运动去对所述上平台进行位移补偿。
优选地，所述步骤g中，所述未来运动曲线和所述实际运动曲线之间的预测偏差进行pid闭环调节校正；
所述pid闭环调节校正过程为所述控制器依次驱动六个所述执行器做正弦运动，以确定六个所述执行器分别对应的pid闭环控制中的比例增益pi、积分增益ii和微分增益di，包括以下子步骤：
步骤g1，确定pid闭环控制中的微分增益di为零；
步骤g2，设定积分增益ii＝0，驱动所述执行器做正弦运动，并且比例增益pi由零逐渐增大，直至出现振荡；然后，比例增益pi逐渐减小，直至振荡消失，若所述执行器的实际运动曲线为正弦运动曲线，则读取当前比例增益值mi，并确定所述比例增益pi的大小为所述当前比例增益值mi的60％-70％；
步骤g3，确定所述比例增益pi的大小后，驱动所述执行器做正弦运动，并且积分增益ii由零逐渐增大，直至出现振荡；然后，积分增益ii逐渐减小，直至振荡消失，若所述执行器的实际运动曲线为正弦运动曲线，则读取当前积分增益值ni，并确定所述积分增益ii的大小为所述当前积分增益值ni的150％-180％。
优选地，所述步骤g中衍算出来的所述未来运动曲线为类正弦运动曲线。
优选地，所述步骤g中采用的时间序列模型为ar时间序列模型。
优选地，所述步骤a中还设定所述上平台的半径为ra，下平台的半径为rb，上平台和下平台之间的初始高度为h，两铰接点的中垂线的夹角为120°，铰接点与坐标轴的夹角为αi；
步骤c中，所述下铰接点bi在动坐标系的坐标值为
所述上铰接点ai在静坐标系的坐标值为
优选地，六个所述执行器分别安装有电子尺，所述电子尺和所述控制器电联接；
还包括步骤h，所述电子尺测量并反馈所述执行器的实际位移量至所述控制器；
所述控制器根据六个所述执行器的实际位移量，获得六个所述上铰接点bi的位置，进而获得所述上平台的实际姿态；然后根据所述上平台的实际姿态，校正所述未来运动曲线和实际运动曲线之间的预测偏差。
优选地，使用所述多自由度位移变化补偿平台的控制方法的控制系统；
包括控制器、多自由度平台和姿态传感器；
所述多自由度平台包括上平台、下平台和铰接于上平台和下平台之间的六个执行器；
所述控制器通过伺服阀驱动所述执行器的活塞杆伸缩；
所述姿态传感器安装于所述下平台，并且所述姿态传感器和所述控制器电联接，所述姿态传感器测量并读取所述下平台的实际运动曲线；
六个所述执行器分别安装有电子尺，所述电子尺和所述控制器电联接，所述电子尺测量并反馈所述执行器的实际位移量至所述控制器；
所述控制器用于控制六个所述伺服阀分别驱动对应的所述执行器的活塞杆运动直至达到对应的补偿量ki，用于生成所述下平台的未来运动曲线并先于所述下平台的实际运动去对所述上平台进行位移补偿，用于对所述未来运动曲线和所述实际运动曲线之间的预测偏差进行pid闭环调节校正，和用于根据六个所述执行器的实际位移量，对所述未来运动曲线和实际运动曲线之间的预测偏差进行二次校正。
所述多自由度位移变化补偿平台的控制方法通过转换矩阵t，将上铰接点bi在动坐标系的坐标值转换到静坐标系中，从而计算出上铰接点bi和所述下铰接点ai的距离di以及所述执行器的活塞杆的伸缩量δdi，从而得出六个所述执行器对应的补偿量ki＝-δdi，驱动执行器的活塞杆运动直至达到对应的补偿量ki，实现对上平台的横摇、纵摇和升沉的补偿，从而在所述下平台随海浪运动的情况下，所述上平台始终保持在同一个水平高度，补偿准确度高。
附图说明
附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明其中一个实施例的控制系统结构示意图；
图2是本发明其中一个实施例的多自由度平台结构图；
图3是本发明其中一个实施例的坐标关系图。
其中：控制器1；多自由度平台2；上平台21；下平台22；执行器23；伺服阀24；姿态传感器3；电子尺4。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本实施例的多自由度位移变化补偿平台的控制方法，如图1所示，包括控制器1和多自由度平台2，如图2所示，所述多自由度平台2包括上平台21、下平台22和铰接于上平台21和下平台22之间的六个执行器23，所述控制器1通过伺服阀24驱动所述执行器23的活塞杆伸缩，包括以下步骤：
步骤a，如图3所示，在所述上平台21建立静坐标系oxyz，选取所述上平台21的外接圆的圆心为静坐标系原点，并且在所述下平台22建立动坐标系o′x′y′z′，选取所述下平台22的外接圆的圆心为动坐标系原点，定义初始状态为动坐标系原点o′和静坐标系原点重合o，和所述控制器1存储六个所述执行器23的下铰接点bi与上铰接点ai之间的初始长度li，其中(i＝1，2，...，6)；
步骤b，通过姿态传感器3测量所述下平台22的姿态，读取所述下平台22沿着x、y、z三个轴的线位移量q1、q2、q3和绕x、y、z三个轴的角位移量q4、q5、q6，共读取所述下平台22上六个自由度的位移量；
步骤c，所述控制器1根据所述姿态传感器3在步骤b中的读取数据，求出六个所述执行器23的下铰接点bi在动坐标系的坐标值，和求出六个所述执行器23的上铰接点ai在静坐标系的坐标值，其中(i＝1，2，...，6)；
步骤d，所述控制器1通过转换矩阵t，求出所述上铰接点bi在动坐标系的坐标值转换到静坐标系中的矩阵ci＝t·b，进而计算出所述上铰接点bi和所述下铰接点ai的距离di以及所述执行器23的伸缩量δdi，其中
步骤e，所述控制器1根据六个所述执行器23的活塞杆的伸缩量δdi，得出六个所述执行器23对应的补偿量ki＝-δdi，然后控制六个所述伺服阀24分别驱动对应的所述执行器23的活塞杆运动直至达到对应的补偿量ki，从而在所述下平台22运动的情况下，所述上平台始终保持在同一个水平高度。
所述多自由度位移变化补偿平台的控制方法通过转换矩阵t，将上铰接点bi在动坐标系的坐标值转换到静坐标系中，从而计算出上铰接点bi和所述下铰接点ai的距离di以及所述执行器23的活塞杆的伸缩量δdi，从而得出六个所述执行器23对应的补偿量ki＝-δdi，驱动执行器23的活塞杆运动直至达到对应的补偿量ki，实现对上平台21的横摇、纵摇和升沉的补偿，从而在所述下平台22随海浪运动的情况下，所述上平台21始终保持在同一个水平高度，补偿准确度高。所述执行器23为液压油缸、电动缸或气缸。
优选地，还包括：
步骤f，所述姿态传感器3测量并读取所述下平台22的实际运动曲线；
步骤g，所述控制器1根据步骤f中的所述实际运动曲线，采用时间序列模型衍算出所述下平台22的未来运动曲线；然后通过最小二乘法对未来运动曲线进行插值计算，预测出所述下平台22在下一个时刻的线位移量q1、q2、q3和角位移量q4、q5、q6；接着重复步骤c、d和e，先于所述下平台22的实际运动去对所述上平台21进行位移补偿。
实现对所述上平台21的前馈控制，避免根据所述下平台22实际动作作出补偿导致的滞后性，更为适应运动方向快速变化的海上环境，提高补偿准确度。
优选地，所述步骤g中，所述未来运动曲线和所述实际运动曲线之间的预测偏差进行pid闭环调节校正；
所述pid闭环调节校正过程为所述控制器1依次驱动六个所述执行器23做正弦运动，以确定六个所述执行器23分别对应的pid闭环控制中的比例增益pi、积分增益ii和微分增益di，包括以下子步骤：
步骤g1，确定pid闭环控制中的微分增益di为零；
步骤g2，设定积分增益ii＝0，驱动所述执行器23做正弦运动，并且比例增益pi由零逐渐增大，直至出现振荡；然后，比例增益pi逐渐减小，直至振荡消失，若所述执行器23的实际运动曲线为正弦运动曲线，则读取当前比例增益值mi，并确定所述比例增益pi的大小为所述当前比例增益值mi的60％-70％；
步骤g3，确定所述比例增益pi的大小后，驱动所述执行器23做正弦运动，并且积分增益ii由零逐渐增大，直至出现振荡；然后，积分增益ii逐渐减小，直至振荡消失，若所述执行器23的实际运动曲线为正弦运动曲线，则读取当前积分增益值ni，并确定所述积分增益ii的大小为所述当前积分增益值ni的150％-180％。
所述未来运动曲线和所述实际运动曲线之间的预测偏差进行pid闭环调节校正，提高预测准确性。通过步骤g1至g3，可精准快速地确定六个所述执行器23对应的pid闭环控制的比例增益pi、积分增益ii和微分增益di。根据多次试验发现，确定所述比例增益pi的大小为所述当前比例增益值mi的60％-70％；所述积分增益ii的大小为所述当前积分增益值ni的150％-180％，校正准确度较高。
优选地，所述步骤g中衍算出来的所述未来运动曲线为类正弦运动曲线。由于波浪可以看作近似正弦运动，所述实际运动曲线为类正弦运动曲线，根据ar时间序列模型处理出来的所述未来运动曲线也为类正弦运动曲线。
优选地，所述步骤g中采用的时间序列模型为ar时间序列模型。由于波浪可以看作近似正弦运动，时间序列较为平稳，所以采用ar时间序列模型(autoregressionmodel)处理采集的数据，系统观测得到的时间序列数据，通过曲线拟合和参数估计来建立数学模型的理论和方法，一般采用曲线拟合和参数估计方法(如非线性最小二乘法)进行。
优选地，所述步骤a中还设定所述上平台21的半径为ra，下平台22的半径为rb，上平台21和下平台22之间的初始高度为h，两铰接点的中垂线的夹角为120°，铰接点与坐标轴的夹角为αi；
步骤c中，所述下铰接点bi在动坐标系的坐标值为
所述上铰接点ai在静坐标系的坐标值为
定义六个所述执行器23的下铰接点分别为b1、b2、b3、b4、b5、b6，即下铰接点bi，其中(i＝1，2，...，6)；六个所述执行器23的上铰接点分别为a1、a2、a3、a4、a5、a6，即上铰接点ai，其中(i＝1，2，...，6)，然后根据图3分别求出下铰接点b1、b2、b3、b4、b5、b6的x轴坐标值、y轴坐标值和z轴坐标值，以及上铰接点a1、a2、a3、a4、a5、a6的x轴坐标值、y轴坐标值和z轴坐标值。
由图3可知，下铰接点b2的x轴坐标值
对于下铰接点b2、b6、b4之间的中垂线的夹角为120°，则下铰接点b6的x轴坐标值
由图3可知，下铰接点b3的x轴坐标值
对于下铰接点b3、b1、b5之间的中垂线的夹角为120°，则下铰接点b1的x轴坐标值
将上述下铰接点b1、b2、b3、b4、b5、b6的坐标值生成齐次矩阵为
同理，可得上铰接点a1、a2、a3、a4、a5、a6的坐标值的齐次矩阵为
优选地，如图1所示，六个所述执行器23分别安装有电子尺4，所述电子尺4和所述控制器1电联接；
还包括步骤h，所述电子尺4测量并反馈所述执行器23的实际位移量至所述控制器1；
所述控制器1根据六个所述执行器23的实际位移量，获得六个所述上铰接点bi的位置，进而获得所述上平台21的实际姿态；然后根据所述上平台21的实际姿态，校正所述未来运动曲线和实际运动曲线之间的预测偏差。
从而实现对所述未来运动曲线进行二次校正，进一步提高预测准确度，提高补偿准确度。
优选地，如图1所示，使用所述多自由度位移变化补偿平台的控制方法的控制系统：
包括控制器1、多自由度平台2和姿态传感器3；
所述多自由度平台2包括上平台21、下平台22和铰接于上平台21和下平台22之间的六个执行器23；
所述控制器1通过伺服阀24驱动所述执行器23的活塞杆伸缩；
所述姿态传感器3安装于所述下平台22，并且所述姿态传感器3和所述控制器1电联接，所述姿态传感器3测量并读取所述下平台22的实际运动曲线；
六个所述执行器23分别安装有电子尺4，所述电子尺和所述控制器1电联接，所述电子尺4测量并发送所述执行器23的实际位移量至所述控制器1；
所述控制器1用于控制六个所述伺服阀24分别驱动对应的所述执行器23的活塞杆运动直至达到对应的补偿量ki，用于生成所述下平台22的未来运动曲线并先于所述下平台22的实际运动去对所述上平台21进行位移补偿，用于对所述未来运动曲线和所述实际运动曲线之间的预测偏差进行pid闭环调节校正，和用于根据六个所述执行器23的实际位移量，对所述未来运动曲线和实际运动曲线之间的预测偏差进行二次校正。
所述多自由度位移变化补偿平台的控制方法的控制系统中，所述控制器1的每个控制轴形成一个闭环，所述闭环由一个伺服阀24、一个执行器23和一把电子尺4组成，共六个闭环，从而对六个所述执行器23独立控制。
所述控制器1控制六个所述伺服阀24分别驱动对应的所述执行器23的活塞杆运动直至达到对应的补偿量ki，实现对上平台21的横摇、纵摇和升沉的补偿，从而在所述下平台22随海浪运动的情况下，所述上平台21始终保持在同一个水平高度；
生成所述下平台22在海浪中的未来运动曲线并先于所述下平台22的实际运动去对所述上平台21进行波浪补偿，实现对所述上平台21的前馈控制，避免根据所述下平台22的实际动作作出补偿导致的滞后性，更为适应运动方向快速变化的海上环境；
对所述未来运动曲线和所述实际运动曲线之间的预测偏差进行pid闭环调节校正，提高预测准确性；
根据六个所述执行器23的活塞杆的实际位移量，对所述未来运动曲线和实际运动曲线之间的预测偏差进行二次校正，进一步提高预测准确度，提高补偿准确度。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。