[发明专利]一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的刚度控制方法

摘要

本发明公开了一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的刚度控制方法，包括以下步骤：计算自由度分解矩阵Hf计算模块输出信号x0；计算台阵模拟系统两自由度位姿反馈信号y；计算刚度补偿信号s；将刚度补偿信号s作为PID控制器的输入信号，PID控制器的输出信号即为阀控缸机构的补偿信号xd；将信号x0与信号xd做差，得到阀控缸机构的偏差信号xa，xa作为10个阀控缸机构的输入信号，驱动两自由度双电液振动台台阵模拟系统运动。本发明对10个阀控缸机构中冗余力进行合理控制，可以增大刚度矩阵中的非对角线元素值，增加系统刚度。当液压源供油压力为21MPa时,可使刚度矩阵中kRxRy和kRyRx的最大值分别提高21％和7％。

主权项

1.一种两自由度双电液振动台台阵模拟系统的刚度控制方法，所述的两自由度双电液振动台台阵模拟系统包括下平台(19)、六自由度振动台、两自由度振动台、桥墩A(14)、桥墩B(15)和桥板(16)；所述的六自由度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B(18)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)，所述的三个垂直向阀控缸机构分别为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)，所述的三个反力墙分别为1号反力墙(11)、2号反力墙(12)和3号反力墙(13)，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)的下端均固定在下平台(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B(18)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B(18)连接；所述的两自由度振动台包括四个垂直向阀控缸机构、上平台A(17)、大虎克铰(20)和支座(21)，所述的四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)和4号阀控缸机构(4)，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、上端分别通过各自的虎克铰与上平台A(17)连接；所述的大虎克铰(20)的上端与上平台A(17)连接、下端与支座(21)连接，所述的支座(21)固定在下平台(19)上；所述的上平台A(17)通过桥墩A(14)和桥板(16)连接；所述的上平台B(18)通过桥墩B(15)和桥板(16)连接；其特征在于：具体的刚度控制方法，包括以下步骤：A、以大虎克铰(20)的几何中心O为控制点，在控制点建立O‑XYZ坐标系；OX轴负方向由O点指向2号阀控缸机构(2)上端虎克铰铰点中心与4号阀控缸机构(4)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；两自由度双电液振动台台阵模拟系统有两个自由度，分别是绕OX轴转动的横摇运动与绕OY轴转动的纵摇运动；给定台阵模拟系统两自由度位姿指令信号为Q₀，Q₀是一个2×1列向量：Q₀＝(Rx Ry)^T式中，Rx是横摇角，Ry是纵摇角；设平台位姿反馈信号Q_d的初始值为(00)^T，Q₀减去Q_d得平台位姿偏差信号Q_a，将平台位姿偏差信号Q_a作为PI控制器的输入信号；PI控制器输出信号为w，w是2×1列向量；将PI控制器输出信号w输入到自由度分解矩阵H_f计算模块中，得到自由度分解矩阵H_f计算模块输出信号x₀，x₀为阀控缸机构的驱动信号，x₀是一个10×1列向量，计算公式为：x₀＝H_fw式中，自由度分解矩阵H_f为：式中，d₁为控制点O与两自由度振动台上平台B(18)的几何中心O₂连线在OY轴上的投影长度；d₂为控制点O与4号阀控缸机构(4)的上虎克铰铰点中心A₄连线在OY轴上的投影长度；d₃为控制点O与1号阀控缸机构(1)的上虎克铰铰点中心A₁连线在OX轴上的投影长度；d₄为控制点O与3号阀控缸机构(3)的上虎克铰铰点中心A₃连线在OX轴上的投影长度；d₅为上平台B(18)的几何中心O₂与9号阀控缸机构(9)的上虎克铰铰点中心A₉连线在OY轴上的投影长度；d₆为控制点O与上平台B(18)几何中心O₂在OX轴上的投影长度；d₇为上平台B(18)几何中心O₂与8号阀控缸机构(8)的上虎克铰铰点中心A₈连线在OX轴上的投影长度；h₂为控制点O与7号阀控缸机构(7)的上虎克铰铰点中心A₇连线在OZ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p，p为10×1列向量；将阀控缸机构中液压缸的位移信号p输入到合成矩阵H_c控制模块中，计算台阵模拟系统两自由度位姿反馈信号y，y为2×1列向量；自由度合成矩阵H_c为2×10矩阵，计算公式为：H_c＝pinv(H_f)Q_d＝H_cp式中，pinv(H_f)表示求取矩阵H_f的Moore‑Penrose伪逆；C、采集10个阀控缸机构中液压缸两腔的压差信号P_L，P_L为10×1列向量，经过刚度控制器，得到刚度补偿信号s，s是10×1列向量，计算刚度补偿信号s的具体方法包括以下步骤：C1、定义两自由度双电液振动台台阵模拟系统刚度矩阵为：式中，k_RxRy表示产生Ry自由度单位位移所需要的Rx自由度的转矩，其余元素含义类同；选取满足方程H·τ_c＝1且max(abs(τ_c))为最小的解作为τ_c，τ_c为10个阀控缸机构归一化的冗余力，为10×1列向量；其中abs(τ_c)表示对列向量τ_c求取绝对值；max(abs(τ_c))表示求abs(τ_c)列向量中最大元素值；H为刚度矩阵中k_RxRy元素的修正系数，为1×10向量：式中，h₁为控制点O与3号阀控缸机构(3)的上虎克铰铰点中心A₃连线在OZ轴上的投影长度；d₈为上平台B(18)几何中心O₂与5号阀控缸机构(5)的上虎克铰铰点中心A₅连线在OY轴上的投影长度；d₉为上平台B(18)几何中心O₂与7号阀控缸机构(7)的上虎克铰铰点中心A₇连线在OX轴上的投影长度；d₁₀为上平台B(18)几何中心O₂与7号阀控缸机构(7)的上虎克铰铰点中心A₇连线在OY轴上的投影长度；l₁为7号阀控缸机构(7)的上虎克铰铰点中心A₇与下虎克铰中心连线长度；l₂为5号阀控缸机构(5)的上虎克铰铰点中心A₅与下虎克铰中心连线长度；l₃为10号阀控缸机构(10)的上虎克铰铰点中心A₁₀与下虎克铰中心连线长度；C2、根据步骤C1中计算得到的τ_c，计算刚度补偿信号s，计算公式为：式中，τ_r为补偿力，是10×1列向量；P_G为两自由度双电液振动台台阵模拟系统中液压源供油压力；A_e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；D、将刚度补偿信号s作为PID控制器的输入信号，PID控制器的输出信号即为阀控缸机构的补偿信号x_d；E、将信号x₀与信号x_d做差，得到阀控缸机构的偏差信号x_a，x_a作为10个阀控缸机构的输入信号，输入到10个阀控缸机构，驱动两自由度双电液振动台台阵模拟系统运动。