六自由度液压平台控制

蔡炳忠

华强方特（深圳）智能技术有限公司518000

摘要：根据六自由度运动平台性能特点，对平台进行了基于位置反解的轨迹规划，并对平台控制系统硬件和软件模块进行了分析，以B&R可编程控制器为结构设计了六自由度平台运动控制系统。采用该控制系统，对平台进行了位置跟踪和轨迹跟踪性能测试试验，试验结果证明了模型的正确性及基于模糊神经网络整定的PID控制的工程可行性和有效性，为今后对液压六自由度运动平台的进一步深入研究提供一个便捷高效的平台。

关键词：六自由度;控制系统;运动平台

随着自动化技术的发展和自动化程度的不断提高,对液压运动平台系统的稳定性、快速性、准确性、自适应性和鲁棒性等控制品质提出了更高的要求。一般情况下,传统型控制器如PID控制器、最优化控制器和自适应控制器等就难以得到满意的控制效果;而人工智能型控制器能实现满意的控制效果,这类控制器不依赖于被控系统的精确数学模型,而依赖于人的经验知识,或者依赖于系统的输入与输出之间的非线性映射模型。迭代学习控制(ILC)就具有人工智能特性,是处理不确定量的一种有效途径,它需要信息少,通用性好,计算方便快速。

1.轨迹规划

六自由度平台机构由6个并联设置的伺服液压缸驱动，动感平台的任何一个自由度的运动均会造成6个液压缸的不同运动，所以六自由度平台机构是一个多变量、强耦合的液压伺服系统，各伺服液压缸需要协调一致地动作，机构在运动过程中才不至于产生不稳定和破坏现象。对于六自由度平台来说，保持某种姿态或实现某种运动实际上是使六自由度平台的六根伺服液压缸跟踪期望轨迹的控制问题。平台要保持某种姿态或达到什么位置，就必须对其运动轨迹进行规划，因此平台的运动轨迹的规划尤为重要。并联机构的位姿控制和运动轨迹规划问题实质上都是机构的反解问题，即如何控制驱动杆来实现期望的运动轨迹。而并联机构的位置反解简单且唯一，把参数化后的位姿曲线方程代入到位置反解中，得到并联机构驱动杆的运动规律，以此来控制各驱动杆就可以使动平台按照期望轨迹运动，因此利用并联机构的运动位置反解方程来规划上平台所期望的复杂的运动位姿是可行的。位姿控制原理如图1所示。轨迹规划分为在工作(任务)空间和驱动(关节)空间两种，在工作空间规划，路径中有不可达空间以及有多值解问题的影响，除特殊必要外，一般多在驱动空间进行规划。驱动空间轨迹是指动平台的每个自由度在运动过程中每一时刻的位置、速度和加速度。

图1六自由度控制系统原理图

基于位置反解的轨迹规划的优点，是可以根据实际的位姿要求，既可以实现单自由度运动，也可以实现多达6个自由度的运动。由于并联机构平台的位置反解算法有精确的解，所以理论上可以实现位姿的精确还原，同时可对上平台的位姿控制精度进行分析比较。

2.平台结构的设计与分析

六自由度液压平台控制系统由平台运动机构、控制系统、液压源等设备组成。其中平台运动机构主要包括上平台、下平台、六组液压缸以及虎克铰等部件。平台控制系统基本结构框图如图2。

图2平台控制系统组成

该系统是基于贝加莱X20系列控制器开发的平台控制系统。控制系统通过运算，输出模拟电压信号控制比例换向阀(系统采用型号为DSE3J-Z30FS/20N-E1K11的比例阀)，再由阀控制液压缸活塞杆的伸缩，驱动上平台运动(上平台与座舱固连在一起)并结合实时播放的3D影片，使乘客体会虚拟驾驶的真实感。同时液压缸的伸缩量经电子尺传送给PLC，形成闭环控制，增强系统的稳定性。

该六自由度液压平台结构紧凑，运动平稳，其上平台转动幅度介于0°～75°。从设计的角度看，该系统在运动学、动力学理论方面与并联机器人、并联机床、各种模拟器等是相同的，且该系统采用液压驱动方式更加有利于运动的平稳性、与影片响应的准确性及良好的承载能力等要求。只有满足这些运动指标的要求，才能达到逼真的效果。对六自由度运动平台空间姿态的控制与测量有两种解算方法:位置反解和位置正解。已知输出件的位置和姿态，求解输入件的位置称为机构的位置反解；反之，称为位置正解。

液压阀的选择：通过对电液伺服阀与电液比例阀的工作原理比较分析可知,在一些应用环境中，电液比例阀完全可以替代电液伺服阀。与电液伺服阀相比,电液比例阀具有以下诸多优点：1）比例阀的加工精度没有电液伺服阀要求高,因此其价格相对较低；2）相对于电液伺服阀来讲,比例换向阀对液压油的要求较低，抗污染能力较强；3）由于存在不灵敏区和滞环,比例阀在其不带电时的安全稳定性好。因此，同样能满足系统要求，选用流量满足液压缸动作要求，压力满足液压系统工作要求的比例阀替代电液伺服阀是可行的。

3.软件模块分析与设计

六自由度运动平台控制器采用Atom?E620T处理器，并基于图形窗口界面，实现运动轨迹规划、运动轨迹显示、控制算法规划、实时通讯、运行状态监控及报警显示、参数设置、系统管理等功能。PC机上的控制系统软件由B&R公司的AS4.0软件开发，根据面向对象的方法设计了6个主要模块，分别为参数设置模块、轨迹规划模块、算法规划模块、运动控制模块、输入输出模块和帮助模块。所有的运动控制、伺服算法、PLC等实时控制功能都由控制器上的以太网实时总线PowerLink来完成传输，以保证系统通讯实时性和大容量的要求。AS4.0软件集成了大量的图形界面控件及功能库，可大大缩短了用户通讯程序及应用程序的开发周期，提高了开发效率。控制软件主要包括位置伺服模块、PLC监控模块。位置伺服模块可以通过设置内部PID参数实现。AS4.0还提供了液压功能库的链接接口，用户在使用时只需调用AsHydCon.Lib里的各功能块并参数化，即可实现运动平台的定位及曲线跟随。PLC模拟量输入模块用于实时提取运动平台伸缩杆运行状态信号，包括当前的运行方位、运行速度及是否都达到位置限位。

结论

本文以六自由度液压平台油缸运动试验为背景，对其液压控制系统进行了初步设计分析；为对整个六自由度液压平台位置进行正解或反解后的速度分析之后的油缸系统设计提供了依据；在液压系统图中可以看出对系统中的各液压组件并联集成布置，避免了串联式机构中误差叠加累计，提高了测试精度，具有结构紧凑、响应快、安全系数高等优点；解决了实际工程应用中设计不明确的缺点，能够更精确地用于模拟实验中。在以后的探究工作中，需更多地研究正反解中的速度问题与实际计算中的模拟结合，以更好地实现并联机构在实际中的应用。

参考文献

［1］汪汉生.六自由度平台设计及控制方法研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008:10-12.

［2］杨培元,朱福元.液压系统设计简明手册［M］.北京：机械工业出版社,1994：4-13.

［3］何志勇.电液比例换向阀替代电液伺服阀的改进实践［J］.宽厚板，2005，11（4）：21-23.