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大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā)
作者:楊世祥 楊濤 徐悅桐
一、概述
六自由度運動平臺,由于有極為廣闊的應(yīng)用前景,近幾年,引起了國內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運動平臺是由六支油缸,上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個平臺組成,下平臺固定在基礎(chǔ)上,借助六只油缸的伸縮運動,完成上平臺在空間六個自由度(X,Y,Z,α,β,γ)的運動,從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài),可廣泛應(yīng)用到各種訓(xùn)練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動感電影、娛樂設(shè)備等領(lǐng)域,甚至可用到空間宇宙飛船的對接,空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制,涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器,空間運動數(shù)學(xué)模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域,因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標志性象征。國外某大型液壓公司的總部大廳里,向客人展示水平的第一個標志就是六自由度運動平臺,筆者認為,六自由度運動平臺是液壓及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級產(chǎn)品,掌握了它,在液壓和控制領(lǐng)域基本上就沒有了難題。以下介紹它的開發(fā)過程
二、傳統(tǒng)的伺服液壓控制六自由度運動平臺
到目前為止,世界上所有國家和研制單位,大型平臺都無一例外的采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內(nèi)以幾所名牌大學(xué)的研究水平較高,其控制原理基本相同,六自由度平臺單缸控制框圖如下:
從圖中可看出,主控計算機是完成空間狀態(tài)的實時解算,然后將解算結(jié)果送到六個單缸控制器,經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后送給伺服放大器、伺服閥、伺服缸推動平臺運動。伺服缸的位移和壓力通過兩只傳感器并經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送給計算機,完成閉環(huán)控制。該框圖表示的是主動編程控制,如果是實時模擬控制,還需要在主控計算機前增加姿態(tài)信號輸入裝置,即用各種信號發(fā)生器模擬人的操作,輸出表示空間狀態(tài)的XYZ和αβγ信號。該伺服系統(tǒng)最大的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復(fù)雜、調(diào)試困難、可靠性差、伺服閥抗干擾抗污染能力弱、故障率高,因而國內(nèi)盡管許多單位進行了研制,但大面積推廣的卻始終不多。
三、六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算
1.順向解):即已知六根液壓缸的長度,求解平臺姿態(tài),到目前為止,還沒有直接中的的正解方程式,只能采用疊代方法,利用計算機快速運算的特點和上鉸鏈的結(jié)構(gòu)條件約束來逼近求解平臺姿態(tài)。此為順解,
2.反解(逆向解):描述一個剛體在空間旋轉(zhuǎn)的姿勢,最常使用的方法是定義三個歐拉角來表達,當剛體旋轉(zhuǎn)至某一姿勢下,此三個歐拉角即組成唯一的旋轉(zhuǎn)矩陣,并借由旋轉(zhuǎn)矩陣作坐標轉(zhuǎn)換,便可求得剛體的絕對位置。
四、六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制
當給定空間狀態(tài)后,可以分別算出六只缸的不同長度,為了讓平臺上的油缸在同一時間運動到新的位置,六只缸的運動速度是不相同的,這個問題的解決有兩種方法,一是采用標準的協(xié)聯(lián)控制器,該控制器需將油缸的運動長度數(shù)值送入,控制器能按所要求的時間,自動分配六只缸的運動速度,同時到達終點。第二種方法是自己編制運動速度方程,采用長度的最小公倍數(shù)方法分配速度,也可達到同樣目的。
五、六自由度平臺的全數(shù)字控制
為了攻克六自由度運動平臺的應(yīng)用難關(guān),北京億美博科技有限公司采用了自己開發(fā)的性能先進、操作可靠的新型數(shù)字(液壓)缸(已納入“十五”攻關(guān)和國家重點新產(chǎn)品項目),作為六只控制缸。該數(shù)字缸取消了傳統(tǒng)控制中的伺服閥、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換等諸多環(huán)節(jié),它是將傳感器、數(shù)字閥等全部做到油缸內(nèi)部,形成自動位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接接受計算機發(fā)出的數(shù)字脈沖信號進行可靠的工作。脈沖頻率代表數(shù)字缸運動速度,脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運動行程,一一對應(yīng),將復(fù)雜的閉環(huán)控制變成了簡單的開環(huán)控制。億美博公司與我國××軍事院校合作,聯(lián)合開發(fā)了載重量3噸和8噸的數(shù)字式六自由度運動平臺,它的控制框圖和實際平臺圖照片所示如下:
從上圖與伺服系統(tǒng)的框圖比較可知,控制原理大大簡化,不但系統(tǒng)響應(yīng)速度加快,而且故障率也大為降低,可靠性得以增加。整個六自由度運動平臺無任何液壓控制元件和傳感器,系統(tǒng)構(gòu)成十分清爽。平臺運動的錄像可在www.aemetec.com/sim網(wǎng)站觀看。它的性能指標如下:
六自由度數(shù)字運動平臺技術(shù)指標
六.數(shù)字液壓技術(shù)在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用
數(shù)字液壓缸與專門配套研制的數(shù)字控制器相配合,幾乎取消了傳統(tǒng)液壓控制中的所有液壓閥件和控制元件,它拋棄了傳統(tǒng)的閥口控制,把討厭的現(xiàn)場調(diào)試搬到了辦公室,幾乎做到了即裝即用,已經(jīng)成功的應(yīng)用到冶金、機械、水電、國防軍工等一系列疑難控制領(lǐng)域,其控制性能遠遠超過傳統(tǒng)的液壓控制技術(shù),成功應(yīng)用的實例有:冶金領(lǐng)域中的鋼水連鑄結(jié)晶器液面控制、結(jié)晶器液壓非正弦振動(均列入過國家攻關(guān)項目),帶鋼厚度控制(微米級精度)。水電領(lǐng)域中的水輪機調(diào)速控制;機械領(lǐng)域的大型無齒鋸多點速度控制和位置控制,軍工領(lǐng)域的大型導(dǎo)彈裝彈機構(gòu)的多缸同步控制(任意多缸同步誤差可達0.1%)、軍艦舵機控制、減搖稽控制,模擬器領(lǐng)域的六自由度平臺控制等等一系列疑難控制,均取得了十分理想的效果。