深圳市普乐方文化科技股份有限公司 518000
摘要：介绍一种由大搭接量电液比例方向阀闭环控制的三自由度模拟舰船平台。对该平台的结构、电气控制及控制软件作了详细介绍。研究结果表明，充分利用计算机控制的特性及软件资源，由大搭接量电液比例方向阀构成的闭环控制系统，也可以获得良好的控制性能。
关键词：多自由度平台；电液比例控制；计算机控制
舰船在海洋中航行遇到大风大浪时，会造成造舰船的大幅振荡和摇摆，导致人员的眩晕或呕吐。因此研究如何对有关人员进行陆上的海上训练以及抗眩晕研究，特别是对需要在海上进行短期生活的人员，例如渡海作战的士兵、旅游者进行科学的抗眩晕划”练是有必要的。为此，我们利用了计算机控制的电液比例控制系统，研制了一个模拟舰船平台，用于在室内模拟舰船在强烈风浪下的海上环境，实验人员坐在一个放置在平台上的模拟的船仓内，感受模拟风浪作用，以便研究人员的身体反应及进行抗眩晕研究。本研究平台的应用场合，要求有较好的连续运动控制特性，但只需要有一般的控制精度。在构成这类闭环位置控制系统时，人们首先想到的是利用具有零开口的伺服阀。它们没有死区，有较好的线性。但它们价格昂贵，对油液的污染度要求很高，限制了它们在一般场合的广泛应用。如果选用普通的电液比例阀，它对工作环境要求不高，其价格也较低，容易被接受。但由于这类比例阀有很大的死区，通常可达最大工作电流的四分之一。因此，在零位附近其控制特性较差，经常出现动作迟缓和停顿的现象。这些缺点使得有大死区的普通比例阀如比例方向阀很难构成性能良好的闭环控制系统。
一、多自由度运动平台机械设计方案
常见的多自由度运动平台机械结构多设计为Stewart型，但是Stewart型的多自由度运动平台的设计与加工十分复杂，控制系统设计也复杂，体积庞大，价格十分昂贵，少则几十万，多则上百万一台。本文根据六自由度舰船模拟平台的技术要求，并结合实际情况，在误差允许的前提下设计了多自由度运动平台的机械结构和运动控制系统。其机械结构设计图如图1所示。多自由度运动平台是在四轮电动车的基础上改装而成，该平台分为上下两个部分，上下两个部分可独立运动，没有相互藕合。
图1多自由度运动平台机械结构图
上层平台由三根电动推杆和一个有机玻璃板搭建而成，其中有机玻璃板尺寸为：900mm（长）X600mm（宽）X8mm（厚），改造时钻孔容易，质量轻，强度大；三个电动推杆为直流电动推杆，呈等腰三角形垂直放置在运动平台的上层平台面和底座之间。在进行机械改造过程中，对上层平台的三自由度运动的实现设计了两个方案。方案一：将位于等腰三角形底边位置的两根电动推杆与上层平台通过耳环球铰连接，与底层平台通过球铰连接；顶点通过耳环球铰与上层平台相连，而与下层平台是通过轴铰和方形底座固连在一起，使得顶点处的直流电动推杆只能垂直升降不能左右旋转运动。在上下平台之间有一辅助支架，运动平台底面安装有滑杆，辅助支架的上部可沿滑杆滑动。
与其他的三自由度并联结构相比，该运动平台的优点是能克服一般三自由度运动平台产生的附加平移运动和附加旋转运动。但是，由于位于小车前端的两个直流电动推杆的底端与小车底层架构通过耳环球铰相连，而耳环球铰有三个自由度的运动，如图2.4所示，虽然安装了辅助三角支架，但实际改造后的三自由度运动平台会有一个绕Z轴的左右轻微晃动，这将会导致多自由度运动平台在运动过程中产生较大的误差，影响到该平台的控制精度。
为改善方案一的机械误差大的缺陷，在方案一的基础上做了改动，给出三自由度运动平台机械结构设计方案二：将位于等腰三角形底边位置的两根电动推杆与底层平台通过法兰节底座连接，法兰节底座有两个自由度的运动，如图2.5所示，通过改造，只保留了法兰节底座的绕垂直方向旋转的自由度。这样三自由度运动平台的结构就会很稳定，同时也保留了对附加运动的抑制能力，提高运动时的位置精度，机械结构简单，易于实现也便于控制。平台的升沉、纵摇和横摇这三个自由度的运动分解成三个连接点的线位移，机械结构如图2.6所示。
由于构成上层平台的三套电动推杆的运动控制相互独立，可以模拟舰船的升沉、纵摇和横摇运动的任意组合。舰船对舰载机舰面起降影响最大的主要是沉浮、纵摇和横摇这三个自由度的运动。上层平台的工作原理是：当三个电动推杆同步伸缩时为z向线沉浮运动；当上顶点推杆不动，底边两个推杆一个伸展，一个收缩时为横摇（滚转）运动必；当上顶点推杆伸缩，而底边两个推杆同步缩伸时为纵摇（俯仰）运动。
二、系统的控制特性分析及改善
（一）系统的稳定性分析
由于本控制系统的采样频率较输入控制信号的变化频率高出很多，因此，虽然是数字控制系统，但仍看作连续系统来看。严格来说，由普通电液比例阀构成的闭环系统，存在众多的非线性，如饱和、死区、滞环、摩擦等。在对非线性系统的稳定性进行分析时，常采用描述函数法。针对本系统，下面采用描述函数法只分析死区和饱和非线性对稳定性影响
（l）系统的饱和非线性对稳定性的影响系统的饱和非线性是由于比例阀的允许最大工作电流引起的。由描述函数法进行的稳定性分析表明，饱和特性对稳定性并无不良影响，即若系统线性部分是稳定的，那么考虑饱和特性后系统仍然是稳定的。若系统线性部分是不稳定的，那么考虑饱和特性后系统仍然是不稳定的。
（2）系统的死区对稳定性的影响系统的死区非线性是由于比例阀阀芯的正搭接量和库仑摩擦形成的。由描述函数法进行的稳定性分析表明，非线性特性对稳定性有一定的影响，即若系统线性部分是稳定的，那么考虑饱和特性后系统仍然是稳定的。若系统线性部分是不稳定的，那么考虑饱和特性后对较小幅值的输人信号系统仍然有可能是稳定的，但对较大幅值的输人信号系统将不稳定的。
（二）系统的控制特性的改善
系统特性的改善主要从软件方面着手，充分利用计算机的运算快的能力，利用各种数字调节器，求出最佳的实时控制量，改善系统控制特性从灯D转换卡采集到的信号，由于受各种噪声的干扰，不可避免含有噪声干扰信号。如果不采取滤波，信号几乎是不可用的。实践表明，数字滤波是廉价可行的办法。所谓数字滤波就是在计算机中用某种方法对信号进行数学处理，以便减小干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。数字滤波通过编程实现，不需要任何硬件，灵活性强。常用的几种滤波方法有平均值滤波、中值滤波、限幅滤波和加权滤波等。
多自由度运动平台的直流电动推杆采用磁致伸缩式位移传感器，它具有精度高，漂移小的优点，可推导出的运动学正解算法，并根据磁致可伸缩位移传感器测量的直流电动推杆位移增量，计算出三自由度运动平台的相应的姿态响应。由于多自由度运动平台在机械加工和装配过程中不可避免的存在误差，且测量控制系统的精确结构参数困难。若在进行运动学正解时使用运动平台不精确的结构参数进行计算，就会引入了误差，即通过运动学正解得到的系统姿态与系统的实际姿态之间是存在误差的。考虑到VM-i在一定的时间内测量姿态角精度高，可以帮助解决运动学正解多解的麻烦，因此使用VM-i对运动学正解进行校对，以提高系统的控制精度。
结论
完成了多自由度运动平台控制系统控制律设计，提出了一种基于运动学正解补偿的控制方法，实验结果表明该控制方法取得了不错的控制效果，有效提高了多自由度运动平台的位姿信号跟踪品质。本文所设计的多自由度运动平台可以模拟一般海况下的甲板运动，不仅可为舰载机起降引导与控制技术研究提供仿真验证平台，还可作为本科生和研究生创新性实验教学平台，在日常教学中发挥重要的作用。
参考文献
[1]刘善增.并联机器人的研究进展与现状[J].组合机床与自动化加工技术，2013
[2]黄真.孔令富，方跃法.并联机器人机构学理论及控制[M].北京：机械工业出版社，2014.
论文作者:赵道奎
论文发表刊物:《探索科学》2017年1期
论文发表时间:2017/8/25
标签：自由度论文; 平台论文; 推杆论文; 系统论文; 死区论文; 控制系统论文; 舰船论文; 《探索科学》2017年1期论文;