六自由度运动平台液压伺服系统的建模与仿真.pdf

第 4期 2 0 1 1年 4月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M od ul a r M a c h i ne To o l＆ Aut o m a t i c M a nuf a c t ur i ng Te c h ni qu e NO ． 4 Ap r ．2 01 1 文 章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 01 1 0 30 0 6 70 3 六 自由度运动平 台液压 伺服系统的建模 与仿真 高建树 ， 文 家富 1 ． 中国 民航 大 学 航 空 自动 化 学 院 ， 天 津 3 0 0 3 0 0 ；2 ． 中 国 民航 地 面 特 种 设 备 研 究 基 地 ， 天 津 3 0 0 3 0 0 摘要 文章 较 为详 细的介 绍 了六 自由度 运 动平 台的机 构特 点及 应 用。在 平 台控 制 总 体设 计 的基 础上 完成 了液 压伺服 系统的 建模 工作 ， 在 Ma t l a b软件 中对 系统进 行 了仿 真分 析 ， 将 常 规 P I D控 制 和基 于 神 经 网络 算法 的先进 P I D控 制 方法进 行 对 比 ， 仿 真结果 表 明基 于神 经 网络 的 P I D控 制 方 法 对伺服 系 统具 有 良好 的控 制 效果 ， 同时也证 明 了电 液伺 服 控 制 系统设 计 的 合理 性 ， 将 控 制 策略 应 用 于样机 平 台 ， 平 台运 行稳 定 ， 流畅 。为 平 台控 制 的进 一步 改进 和 完善 奠定 了基础 。 关键词 六 自由度运 动 平 台； 伺服 阀 ； P I D 控 制 ； 神 经 网络 中 图分 类 号 T H1 6； T G 6 5 文献 标识 码 A The M o de l i ng a nd Si mul a t i o n on Se r v o Sy s t e m o f 6- DOF Pl a t f o r m GA0 J i a n s h u ．W EN J i a ， f u 1 ． I n s t i t u t e o f A v i a t i o n Au t o ma t i o n ，C i v i l Av i a t i o n Un i v e r s i t y o f C h i n a ，T i a n j i n 3 0 0 3 0 0，C h i n a ； 2 ． Gr o u n d S u p p o r t Eq u i p me n t R e s e a r c h B a s e ，CAUC，T i a n j i n 3 0 0 3 0 0，Ch i n a Abs t r a c tTh i s p a p e r d e s c r i b e s t he f e a t ur e s o f 6- DOF p l a t f o r m a nd i t s a pp l i c a t i o ns i n d e t a i l ．Co mp l e t e t h e mo d e l i n g o f h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m b a s e d o n t h e o v e r a l l c o n t r o l d e s i g n ． Th e n d o t h e s i mu l a t i o n a n a I y - s i s O f c on v e n t i o na l PI D c o n t r o l i n M a t l a b ．a n d c o mp a r e wi t h t he a d v a n c e d PI D c o n t r o l b a s e d o n n e ur a l n e t wo r k． S i mul a t i o n r e s u l t s s h o w t ha t t hi s me t h o d h a s g o o d c o n t r ol e f f o r t ． Pr o ve d t h e c o r r e c t n e s s o f s e r v o c o n t r ol s ys t e m d e s i gn ． Appl y t h e c o n t r ol s t r a t e g i e s t o t h e pr o t o t ype Pl a t f o r m，t h e pl a t f o r m r un s mo o t h a n d s t a b l e ．Tha t s e t a g o o d f o un d a t i o n t o t he f u r t h e r c o n t r o l o f p l a t f o rm ． Ke y wo r ds6- DOF mo t i on Pl a t f o r m ；s e r v o v a l v e ；PI D c o n t r o l ；Ne u r a l Ne t wo r k 0 引言 六 自由度 并联平 台 的研 究最 早 可 以追 溯 到 上个 世纪 1 9 6 5年 ” ， S t e w a r t 提 出利 用 六 自由度 运 动 平 台 训练 飞行 员 。从结 构 上 看 ， 它 由六 根 支 杆将 上 、 下 两 个平 台通 过 虎 克 铰 连 接 而 成 ， 六 根 支 杆 都 可 以 独 立 的运 动 ， 成 为 S t e w a r t 平 台。它 具有 承载 能力 强 ， 刚 度 好 、 无 积 累误差 、 精 度 高 等优 点 。Ma c ． c a l l i o n和 P h a m D． T首 次将该 机构 用 于装 配生 产 线 ， 标 志着 真 正 意 义上 的并联 机 器 人 的 诞 生 ， 从 此 推 动 了并 联 机 器 人 发展 的历史 ， 此 后 有 众 多 的科 研 工 作 者 展 开 了对 并 联 机 器人 的研究 ， 取得 了大量 的科 研成 果 。 并 联机 构 的 出现 扩 大 了 机 器 人 的 应 用 范 围 ， 随 着 对并联 机 构 研 究 的不 断 深 入 ， 其 应 用 领 域 已 扩 展 到 模拟 器 、 并 联机 床 、 工 业 机 器人 、 微 动 机 构 、 医用 机 器 人和操 作 器等领 域 。 六 自由 度 运 动 平 台是 飞 机 模 拟 机 关 键 的 一 部 分 ， 飞 行 模 拟 器 具 有 节 能 、 经 济 、 安 全 、 不 受 场 地 限 制 、 训 练周 期 短 、 训 练频 率 高等 突 出优 点 。另 外 飞 行 模拟 机还 能人 为地 、 重 复 的设 置 多种 故 障 现象 如 引 擎失效 、 起 落 架 故 障 和 各 种 天 气 条 件 例 如 风切 变 、 大雾 天气 。 目前 已成 为飞行 训 练的 必要设 备 。 飞行 模 拟机需 要 真 实 的模 拟 出飞 机起 飞 、 降落 、 翻滚 、 俯 仰 、 偏 航 等 动 作 ， 让 飞行 员 获 得 与实 际 飞行 完全 一样 的视 觉 、 触 觉 、 听 觉 和加 速 度 的感 觉 。速 度 和加 速度 的模 拟需 要 对 六 自由度 运 动平 台进 行精 确 收 稿 日期 2 0 1 0 0 92 8 基 金 项 目 中国 民航 总 局 科 技 项 目 MH R 0 7 0 7 作者简介 高建树 1 9 6 6 一 ， 男 ， 河南周 口人 ， 申 国民航犬学航空 自动化学院教授 ， 博 士 ， 研究方 向为检 测技术 、 自动化技术方 面的研究 与开 发 ， Em a i l g j ia n s h u y a h o o ． C O I n ； 通讯作者 文家富 I 9 8 5 一 ， 男 ， 湖北荆州人 ， 中国民航大学航空 自动化学院在读硕 士研 究生 ， 研 究 方 向为 液 压 六 自 由度 运 动 平 台 的 运 动 学 理 论 ， E m a i l w e n j i a f w e l l 1 6 3 c o m。 6 8 组合机 床与 自动化加 工技 术 第 4期 控制来 实现 。因此 对平 台 的伺 服 系统 进行 仿真 研 究 对提高模 拟 机 的逼 真 度 ， 增 强训 练 效 果 具 有 重 要 意 义 。图 1为 T h a l e s公 司 生 产 的 全 动 模 拟 机 F u l l F l i g h t S i mu l a t o r 。 圈 1 Th a l e s公 司 生 产 的 全 动模 拟机 1 六 自由度运动平台系统的总体设计 本文研 究的模 拟机 六 自由度运 动平 台 由液压 驱 动 。整个 运 动 平 台 由 控 制 计 算 机 、 作 动 器 、 液 压 泵 站 、 控 制板 卡和各类 接 口、 现场 总线 、 传 感 器等 组 成 ， 总体结 构如 图 2所示 。 图 2平 台 控 制 示 惫 图 主控计算 机 Ho s t i n d u s t r i a l P C 通 过 H S S L H i g h S p e e d S e r i a l L i n k 与控 制板 卡实 现实 时数 据传 输 、 读 取 ， 同时通过 F I P F a c t o r y I n s t r u m e n t a t i o n P r o t o c o 1 与 液压 泵 站和集 成 板 卡进 行联 动 控制 。控制 板 卡 和作 动器之 间 ， 作 动 器 和 液压 泵 站 之 间都 有 位 置 和 压 力 反馈 回路 ， 形成 闭环控 制 ， 以实 现精确 控制 的 目标 。 来 自主 控计 算 机 的平 台运 动指 令 通过 H S S L和 集成 板卡 上的 MI O D S P m o d u l a r i n p u t ／ o u t p u t ， 与来 自作动器上的位置和压力传感器信号作偏差 ， 通过 控制 算法将 结 果 转 化 为 电 信 号 ， 控 制伺 服 驱动 放 大 器 ， 最 后将结 果输 出到 伺 服 阀 ， 通 过控 制伺 服 阀 的接 通和 断开 ， 调 节 六 个 作 动 器 的 伸缩 运 动 。模 拟 出与 飞行操作 相 匹配 的上 平 台运 动 。 2 数 学模型的建立 对运 动平 台控制 系统 的研 究 主要 是 对 电液 伺 服 阀闭环 回路 进行研 究 。 电液伺 服 阀是 一 种最 基本 和最常用的液压伺 服系统。主要用于控制进入作动 器 的液流 的方 向和速 率 ， 在 电液伺 服控 制 系统 中， 伺 服阀的功能是将电气信号 电压、 电流 变成液压信 号 压力、 流量 。在进行信号转换的同时， 将信号放 大 。电液伺 服阀通 常 由力 矩 马达 、 液压 放 大器 、 反 馈 机构三部分组成。具有响应速度快 、 输 出功率大、 结 构紧凑 等 优 点 。力 矩 马 达 的输 出力 矩 很 小 ， 无 法 直 接驱动 功率级 阀 的运 动 ， 此 时需 要 增加 液压 前 置 级 ， 将力矩马达的输出进 行放大处理 ， 进一步控制功率 阀 ， 这就 构 成 了 多级 电液 伺 服 阀 。本 文研 究 的 机构 采用 的是 MO O G二级 电液伺 服 阀 。其 结构 如 图 3所 示 。 ’ 图 3电 液 伺 服 阀 2 ． 1单个作 动器 的数学模 型 单 个伺 服控制 系统 的输 出 l ， 对输 出 的部 分传 递 函数 为 G㈩ [ t s ⋯ 一 式 1 中 ， ， ， 为系统 的电液 伺 服 阀 、 电子伺 服放 大器 的传递 函数 ； t o 为液 压 缸 的 固有 频率 ； 。 为总 流量 一 压 力系数 ； 6 为阻 尼 比 ； 卢 为液 压 油 的体 积 弹 性模 量 ； A 为液压 缸活塞 有 效 面积 ； t ， 为液压 缸 左右 腔及 其与伺 服 阀连 接 管路 的体 积 之 和 ； F 。 为集 中考 虑作用 在液压 主动关 节上 的等效 干扰力 。 根 据系统 的特征 参数 ， 取 K 0 ． 0 6 m ／ A， ∞ 3 2 0Hz， 6 0 ． 2， 7 1 0。 Pa， I 1 ． 4 1 0一 m ， F。1 0 0 0 N， Kc 6 ． 1 41 0 m ／ S N ， Al4 ． 9 1 0 m 传递 函数简 化为 C s 3 系统 的 控 制 及仿 真 3 ． 1 基 于常规 PI D 的控 制 系统仿真 研究 常规 的 P I D控 制器 因具有 结构简 单 、 参数 物理意 义明确 、 被 控对 象适 应 性强 、 动 态 和静态 特性 优 良等 显 著特 点 ， 在各 种控 制 理论不 断 出现 的今 天 ， 在 工业 2 0 1 1年 4月 高建树 ， 等 六 自由度 运 动平 台液压 伺服 系统 的建 模 与仿 真 6 9 控制 领域仍 然 占有很 大 的 比重 。 P I D是按 偏差 的 比例 P 、 积分 ， 、 微分 D组 合 而 成 的控制 规 律 。 比例控 制 简单 易 行 ， 积 分 的 加入 能消 除静差 ， 微 分项 则 能提 高 系统 的稳 定性 ， 改 善 系 统的 动态性 能 ～ 。 在 已知传 递 函数 的情 况 下 ， 需 要 合 理 的选 取 比例 、 积 分 、 微 分 系 数 ， 以便 获得 满 意 的 系 统 性能 。 在 本文 中针 对控 制 闭环 回路在 Ma t l a b中绘 制 对 应 的根 轨迹 图 ， 确 定传 递 函数 P I D控 制 中 比例 环节 的 临 界值 。 然后 反 复调试 整定 ， 确 定 的值 为 2 0 。 最 后 根 据 临界增 益和 临界 周期 调整 法则 ， 对 K 和 的值 进 行选取 。 最 后确 定为 2 0， K 1 2， Kd 0． 2 3 ． 2 基于 BP神 经 网络 的控 制算 法 P I D控 制器 主要 的局 限是 在 于 它 对 被 控 对 象 的 依 赖性 ， 一 般 需 要 预 先 知 道 被 控 对 象 的传 递 函 数 才 能 进行设 计 ， 而这 在工 业 设计 中往 往很 难 做 到 。 虽 然 可 以采用 一些 近似 的工 程整 定方 法来 选 择 P I D参数 ， 但是仍需反复调试与实验 ， 一般很难做到最优。 神经 网络 优 化 算 法 具 有 很 强 的 非 线 性 映 射 能 力 ， 不需 要 事 先 了解描 述 这 种 映射 关 系 的数 学 方程 。 并且具 有 一定 的容 错 能力 ， 即 输 入 样 本 中有 个别 错 误 时 ， 对 网络 的输 入输 出规律 影 响 很小 。 能逼 近 任 意 非线 性 函数 ， 可 以处 理 那 些 难 以 用 模 型 和 规 则 描 述 的过 程 ， 在 一些 不 确定 系 统 的控 制 中 已成 功 的应 用 。 六 自由度运 动 平 台 的控 制 具 有 高 度 非 线 性 ， 而且 在 载荷 的作 用 下 ， 对运 动 产 生很 强 的外 干 扰 。 将 神 经 网 络 与 P I D控制 相结 合 ， 即在 常规 P I D控制 的基 础 上 增 加 一个神 经 网络 ， 用神 经 网络 在 线调 整 P I D参 数 。 可 以取 得更 好 的控制 效果 。 基于 B P神 经 网络 的 P I D控制 器 如 图 4所 示 。 控 制 系统 由两部 分组 成 ， 传 统 的 P I D控制 器 和 B P 神 经 网络 学 习算 法 。 神 经 网络 根 据 系 统 的 运 行 情 况 调 节 P I D参数 ， 使 输 出层 对 应 的 三个 参 数 通 过 自学 习 、 权 系数 调整 ， 不 断趋 于最 优 。 图 4 基 于 BP神 经 网络 的 P I D 控 制 器 整 个控 制 系统采 用 353结 构 的神 经 网络进 行 控制 ， 其结 构 如 图 5所 示 。 输 入 的 3个 量分 别为 设 定 值和 实 际值 ， 以及误 差 值 。 输 出则 对应 三 个 可调 参 数 、 K i 、 K d 。 通过 网络 的 自学 习 、 权 系数 调 整 ， 使 神 经 网络对 应 某种最 优控 制规 律 下 的 P I D控 制参数 。 图 5 BP神 经 网 络 结 构 网络 输入 层 的输人 为 k k ， X ， ⋯ ， k 2 网络 隐含 层 的输入 、 输 出参数 为 h i ∑W 一 b h1 ，2 ， ⋯，p 3 E I h o ／ h 1 ， 2， 。 一， P 式 2 中的 n为输入层所含神经元 的个数 ， 取为 3 。 式 3 中 b 为 隐含层 的阀值 ， 为隐 含层 神 经 元 的加 权 系数 。 隐含层 的激 活 函数 为正 切 s i g mo i d函数 。 一n t a n h 4 e 十e 式 4 能将 神 经 元 的输 入 范 围从 一。 。 ，∞ 映射 到 一1 ，1 的范 围内 。 网络输 出层 的输 入 、 输 出表示 为 P yi 。 ∑W ho h 。 一 b o1 ， 2 ， ⋯ q hl y o 。 k-厂 y i 。 k 0 1 ， 2， ⋯q 输 入 和输 出神 经 元 的 传 输 函数 也 选 择 S i g mo i d 函数 。 网络 的训 练 函数选 择 t a n s i g 。 3 ． 3 仿真 实现 本文 以我校 自行研 制 的六 自由度液压运 动平 台作 为控 制对象 ， 控 制 过程 中由 H o s t P C根 据上 平 台 的轨 迹 ， 通过 正解 运算 ， 规划 出各 个 液 压 杆 的伸 缩 量 及 速 度 。 将 B P神经 网络 P I D算法 嵌入 到控制 系统 中 。 对 液 压缸 的位置设定值 与 实 际值 进行 对 比分 析计 算 。 不 断 调整计 算 ， 实现精 确控 制 。 应用 上述 神经 网络 结构 ， 进 行 自主学习 ， 可得 到一组 P I D控 制参数 ， 分 别为 72 8． 8， Ki 67 ． 8， Kd 0 ．2 为 了 进 行 对 比分 析 ， 常 规 P I D 和 神 经 网 络 P I D 在 Ma t l a b中的阶跃 响应 仿 真 曲线 如 图 6所 示 。 厂 ～ ＼ ＼ | l l ／ 图6 两种方法所对应的阶跃响应 下转 第 7 3页 2 0 1 1年 4月 陕 军峰 ， 等 机器 人 码垛 离 线仿真 与远 程控 制 技术研 究 7 3 精度 跟高 ， 安 全性 也得 到提 高 。实 验 完 毕 ， 需 关 闭 机 器人 伺服 ， 并 断开 相应 的连接 。 图 9码 垛 实 际 操 作 3 结束 语 实 验结 果 表 明 ， 采 用 离 线 仿 真 技 术 有 效 地 缩 短 了在线操 控 时间 ， 实现 了计 算 机 的 实 时仿 真 ， 为 机 器 人 编程 和调 试 提 供 安 全 灵 活 的 环 境 ， 提 高 了 编 程 效 率 ， 作业成 功 率更 高 。通 过 仿 真 系统 ， 可 以很 直 观 地 检查 编程 结 果 ， 并 进 行 人 工 修 正 。机 器 人 远 程 控 制 在一 定程 度上 提 高 了操 作 的 灵 活性 与 安 全性 。本 文 以码 垛为 例 ， 对 机 器 人 的 离 线 仿 真 及 远 程 控 制 进 行 了研 究 ； 但 对 于机 器 人 离 线 编 程 及 远 程 控 制 技 术 的 研 制和 开发 涉 及 的 问 题 还 有 很 多 ， 如 多 媒 体 技 术 在 机器 人离 线 编 程 中 的研 究 和 应 用 、 多 传 感 器 的 融 合 技术 的建模 与仿真 ， 机 器 人 远 程控 制 中临 场感 技术 ， 以及 网络控 制 的 可 靠 性 与 稳 定 性 的 问题 等 ， 还 需 进 一 步深 入研 究 。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ]蒋薇．机器人远程控制 的研究与应用 [ D ] ．北京 北方 业 大 学 ， 2 0 0 8 ． [ 2]张 培 艳 ．工 业 机 器 人 操 作 与 应用 实践 教 程 [ M] ．上海 上 海 交 通 大 学 出版 社 ， 2 0 0 9． [ 3 ]郭 洪 红 ．工 业 机 器 人 应 用 技 术 [ M] ．北 京 科 学 出 版 社 ， 20 08． [ 4 ]刘极峰．机器人技术基础 [ M] ．北 京 高等教 育出版社 ， 20 0 6． [ 5 ]栾东丽．工业 机器 人虚拟仿真控制系统研究 [ D] ．山东 山 东 科 技 大 学 ， 2 0 0 9 ． [ 6 ]汤双清 ， 付建科 ， 陈燕．工业 机器人远程控 制策略及其核 心 程 序 [ J ] ．三 峡 大 学 机 械 学 院 ， 2 0 0 2， 2 8 6 2 22 5 ． [ 7 ]刘 兴 磊．基 于 现场 总 线 的 码 垛 机 器 人控 制 系统 研 究 [ D] ．上海 东华 大学 ， 2 0 1 0 ． [ 8 ]陈黎明．码垛机器人控 制系统设 计[ D] ．上海 上海交通 大学 ， 2 0 1 0 ． [ 9]顾 民 强 ， 范 秀 敏 ， 马 登 哲 ．虚 拟 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