專利名稱:六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器幅相控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制領(lǐng)域，特別涉及一種能夠提高六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器正弦信號(hào)跟蹤精度的幅相控制技術(shù)。
(二)技術(shù)背景六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器是一種用于環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M的大型機(jī)電設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)海況、路況和飛行姿態(tài)等多種條件下的環(huán)境仿真。六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器主要包括液壓缸，伺服閥，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，上、下連接鉸鏈和相關(guān)液壓管路系統(tǒng)等部件，能夠在液壓能源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與控制作用下完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。然而，在正弦波試驗(yàn)中由于系統(tǒng)頻寬的限制，六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的輸出存在幅值衰減和相位滯后，影響正弦波試驗(yàn)效果。因此，為了實(shí)現(xiàn)高精度正弦波復(fù)現(xiàn)的目的，必須采用新的控制方式和控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤控制，而目前市場(chǎng)上還沒有相應(yīng)的方法可以有效解決問題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效控制多路液壓伺服系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作、能夠使系統(tǒng)輸出的正弦信號(hào)準(zhǔn)確地跟蹤給定的正弦信號(hào)以實(shí)現(xiàn)在六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器上完成高精度正弦波復(fù)現(xiàn)的目的的六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器幅相控制方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括以下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的步驟設(shè)定位姿步驟，輸入六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)，通過幅相控制器模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幅相控制，求得修正系數(shù)w0和w1，輸出設(shè)定位姿數(shù)據(jù)送入反解步驟；反解步驟，將設(shè)定位姿步驟輸出的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解計(jì)算計(jì)算出缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)并輸出缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)給閉環(huán)控制步驟；閉環(huán)控制步驟，將反解計(jì)算出的缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的驅(qū)動(dòng)器位置閉環(huán)控制閉環(huán)輸出缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)器位置送給六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的液壓缸伺服控制器；正解步驟，由六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器送入實(shí)際缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)，將實(shí)際缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)正解解算六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的姿態(tài)信號(hào)，輸出位姿數(shù)據(jù)給位姿反饋步驟；位姿反饋步驟，將正解步驟輸出的位姿信號(hào)通過最小二乘算法修正設(shè)定位姿數(shù)據(jù)的幅值和相位，通過調(diào)整修正系數(shù)w0和w1調(diào)節(jié)器得到修正系數(shù)并修正設(shè)定位姿數(shù)據(jù)，將修正后的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)送給輸出步驟；輸出步驟，將修正后的位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，解算出缸長(zhǎng)控制信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)器位置閉環(huán)控制閉環(huán)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器。
本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征
1、所述的幅相控制器模塊包括相移控制器、w0和w1調(diào)節(jié)器，處理過程為將輸入的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)和經(jīng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)正解得到的位姿反饋信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算偏差，將誤差送入同構(gòu)的E神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，輸出網(wǎng)絡(luò)誤差并計(jì)算下一時(shí)刻的權(quán)值，將得到的權(quán)值與設(shè)定位姿數(shù)據(jù)和經(jīng)相移控制器得到的位姿數(shù)據(jù)一起計(jì)算調(diào)整得到修正系數(shù)w0和w1值，輸出修正系數(shù)w0和w1。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想如下從系統(tǒng)的正弦響應(yīng)可以看出，對(duì)于頻率為口的輸入信號(hào)來(lái)說，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相比，相位滯后是一個(gè)固定的值，令輸入信號(hào)為u＝Arsinωt則系統(tǒng)的輸出表示為y＝Aysin(ωt-φ)因此，只要使輸入信號(hào)獲得一個(gè)相應(yīng)的相位提前Φ，就可以消除系統(tǒng)的相位滯后，即令系統(tǒng)的輸入信號(hào)變?yōu)閡′＝Arsin(ωt+φ)＝ArW0sinωt+ArW1cosωt對(duì)于一個(gè)固定的Φ直，都有一對(duì)相對(duì)應(yīng)的w0和w1值，對(duì)于采樣系統(tǒng)來(lái)說，可以通過設(shè)計(jì)一個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的輸入分別為指令信號(hào)正弦分量u和把該正弦分量相移90°產(chǎn)生的余弦分量，對(duì)于兩個(gè)輸入分別賦予一個(gè)權(quán)值，它們的和即是補(bǔ)償后的輸入信號(hào)u′。這就構(gòu)成了一個(gè)線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的原理如圖2所示。
本發(fā)明提出了一種簡(jiǎn)單可行的幅相控制方法，它通過迅速地調(diào)整六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器伺服控制系統(tǒng)的輸入正弦信號(hào)的幅值與相位可以有效地補(bǔ)償由于六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器頻率特性對(duì)正弦運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)精度的影響，并提高六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器正弦波復(fù)現(xiàn)精度。

圖1是六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器組成圖；圖2是本發(fā)明幅相控制方法原理圖；圖3為位姿反解流程圖；圖4為位姿正解流程圖；圖5是沒有幅相控制的正弦試驗(yàn)曲線；圖6是具有幅相控制的正弦試驗(yàn)曲線；圖7是具有幅相控制的六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器流程圖；圖8為幅相控制器流程圖。
(五)
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明結(jié)合圖1，六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器包括液壓缸、伺服閥、伺服作動(dòng)器3、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1、上鉸組件2、下鉸組件4和相關(guān)液壓管路系統(tǒng)等組成，在液壓能源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與控制作用下完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。
結(jié)合圖2，本實(shí)施例包括以下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的步驟設(shè)定位姿步驟，輸入六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)，通過幅相控制器模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幅相控制，求得修正系數(shù)w0和w1，輸出設(shè)定位姿數(shù)據(jù)送入反解步驟；反解步驟，將設(shè)定位姿步驟輸出的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解計(jì)算計(jì)算出缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)并輸出缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)給閉環(huán)控制步驟；閉環(huán)控制步驟，將反解計(jì)算出的缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的驅(qū)動(dòng)器位置閉環(huán)控制閉環(huán)輸出缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)器位置送給六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的液壓缸伺服控制器；正解步驟，由六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器送入實(shí)際缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)，將實(shí)際缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)正解解算六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的姿態(tài)信號(hào)，輸出位姿數(shù)據(jù)給位姿反饋步驟；位姿反饋步驟，將正解步驟輸出的位姿信號(hào)通過最小二乘算法修正設(shè)定位姿數(shù)據(jù)的幅值和相位，通過調(diào)整修正系數(shù)w0和w1調(diào)節(jié)器得到修正系數(shù)并修正設(shè)定位姿數(shù)據(jù)，將修正后的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)送給輸出步驟；輸出步驟，將修正后的位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，解算出缸長(zhǎng)控制信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)器位置閉環(huán)控制閉環(huán)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器。
結(jié)合圖3-4，運(yùn)動(dòng)學(xué)反解過程為輸入六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的姿態(tài)數(shù)據(jù)求解缸長(zhǎng)，包括歐拉角計(jì)算、齊次坐標(biāo)變換、空間運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算3部分，輸入的六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的姿態(tài)信號(hào)經(jīng)過歐拉角計(jì)算構(gòu)建齊次變換矩陣，再經(jīng)過空間計(jì)算解得到液壓缸的缸長(zhǎng)信號(hào)；而運(yùn)動(dòng)學(xué)正解過程為輸入實(shí)際的六個(gè)液壓缸的位置數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入鉸點(diǎn)間距方程建立非線性方程組，再進(jìn)行二次泰勒展開，展開后迭代求解六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器轉(zhuǎn)臺(tái)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。
本實(shí)施例首先通過給定六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過校正控制后，輸入六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的反解模塊，反解后的缸長(zhǎng)作為驅(qū)動(dòng)器位置閉環(huán)的輸出。實(shí)際缸長(zhǎng)信息經(jīng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)正解模塊解算六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的姿態(tài)信號(hào)，再通過最小二乘算法修正給定信號(hào)的幅值和相位，以此作為位姿控制環(huán)的輸入去激勵(lì)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。
可見在幅相控制技術(shù)中的關(guān)鍵過程是1、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，進(jìn)而獲得試驗(yàn)臺(tái)姿態(tài)偏差；2、利用最小二乘算法，修正給定信號(hào)的幅值和相位，進(jìn)而激勵(lì)系統(tǒng)。
使用幅相控制前后，六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器對(duì)正弦信號(hào)的跟蹤情況如圖5-6所示。
結(jié)合圖7，幅相控制器模塊包括相移控制器、w0和w1調(diào)節(jié)器。處理過程為將輸入的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)和經(jīng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)正解模塊得到的位姿反饋信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算偏差，將誤差送入同構(gòu)的E神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器模塊，輸出網(wǎng)絡(luò)誤差并計(jì)算下一時(shí)刻的權(quán)值，將得到的權(quán)值與設(shè)定位姿數(shù)據(jù)和經(jīng)相移控制器得到的位姿數(shù)據(jù)一起計(jì)算調(diào)整得到修正系數(shù)w0和w1值，輸出修正系數(shù)。
因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)正弦給定信號(hào)和經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)位置正解得到的姿態(tài)反饋信號(hào)，計(jì)算偏差，經(jīng)非線性最小二乘，經(jīng)過同構(gòu)的ADLINE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，此誤差就在網(wǎng)絡(luò)誤差中體現(xiàn)出來(lái)，并計(jì)算下一時(shí)刻的權(quán)值，實(shí)施地調(diào)整計(jì)算得到修正系數(shù)w0和w1值，并產(chǎn)生新的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解和驅(qū)動(dòng)器輸出控制信號(hào)與伺服閥控液壓缸系統(tǒng)相連接，驅(qū)動(dòng)六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)動(dòng)，減小誤差趨勢(shì)的變化，直至誤差消失。權(quán)值w0和w1也趨于穩(wěn)定，并使設(shè)定信號(hào)與輸出量達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的協(xié)調(diào)動(dòng)作。
實(shí)驗(yàn)證明，修正系數(shù)w0和w1經(jīng)過3～4次迭代補(bǔ)償后，六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器輸出的正弦信號(hào)能夠以較高的精度跟蹤給定信號(hào)。在系統(tǒng)頻寬范圍內(nèi)幅值衰減優(yōu)于5％，相位滯后優(yōu)于5°。
結(jié)合圖2-8，六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的姿態(tài)信號(hào)經(jīng)過歐拉角計(jì)算構(gòu)建齊次變換矩陣，在經(jīng)過空間計(jì)算解得到六條液壓缸的缸長(zhǎng)信號(hào)，用于六條缸的位置閉環(huán)給定信息，實(shí)現(xiàn)六自由度姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。而運(yùn)動(dòng)學(xué)正解模塊是在已知六個(gè)液壓缸的位置的情況下，求解轉(zhuǎn)臺(tái)的位置和姿態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器幅相控制方法，其特征在于它包括以下計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的步驟設(shè)定位姿步驟，輸入六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)，通過幅相控制器模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幅相控制，求得修正系數(shù)w0和w1，輸出設(shè)定位姿數(shù)據(jù)送入反解步驟；反解步驟，將設(shè)定位姿步驟輸出的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解計(jì)算計(jì)算出缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)并輸出缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)給閉環(huán)控制步驟；閉環(huán)控制步驟，將反解計(jì)算出的缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的驅(qū)動(dòng)器位置閉環(huán)控制閉環(huán)輸出缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)器位置送給六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的液壓缸伺服控制器；正解步驟，由六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器送入實(shí)際缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)，將實(shí)際缸長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)正解解算六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的姿態(tài)信號(hào)，輸出位姿數(shù)據(jù)給位姿反饋步驟；位姿反饋步驟，將正解步驟輸出的位姿信號(hào)通過最小二乘算法修正設(shè)定位姿數(shù)據(jù)的幅值和相位，通過調(diào)整修正系數(shù)w0和w1調(diào)節(jié)器得到修正系數(shù)并修正設(shè)定位姿數(shù)據(jù)，將修正后的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)送給輸出步驟；輸出步驟，將修正后的位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，解算出缸長(zhǎng)控制信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)器位置閉環(huán)控制閉環(huán)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器幅相控制方法，其特征在于所述的幅相控制器模塊包括相移控制器、w0和w1調(diào)節(jié)器，處理過程為將輸入的設(shè)定位姿數(shù)據(jù)和經(jīng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)正解得到的位姿反饋信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算偏差，將誤差送入同構(gòu)的E神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，輸出網(wǎng)絡(luò)誤差并計(jì)算下一時(shí)刻的權(quán)值，將得到的權(quán)值與設(shè)定位姿數(shù)據(jù)和經(jīng)相移控制器得到的位姿數(shù)據(jù)一起計(jì)算調(diào)整得到修正系數(shù)w0和w1值，輸出修正系數(shù)w0和w1。
專利摘要
本發(fā)明提供了一種提高六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器正弦信號(hào)跟蹤精度的幅相控制技術(shù)。它包括以下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的步驟設(shè)定位姿步驟，反解步驟，閉環(huán)控制步驟，正解步驟，位姿反饋步驟和輸出步驟，本發(fā)明在六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的控制系統(tǒng)中加入幅相控制器，經(jīng)過幾次迭代計(jì)算后使系統(tǒng)輸出的正弦信號(hào)能夠準(zhǔn)確地跟蹤給定的正弦信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器上完成高精度正弦波復(fù)現(xiàn)的目的。
文檔編號(hào)G09B9/00GK1996174SQ200610151150
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月15日
發(fā)明者韓俊偉, 葉正茂, 叢大成, 姜洪洲, 張輝, 靳軍, 何景峰, 黃其濤, 鄭淑濤, 趙新通, 關(guān)廣豐, 代小林 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan