液压并联6-DOF平台轨迹跟踪的干扰力补偿

　　由于液压并联6-DOF平台为多输入多输出的非线性系统,其雅可比矩阵随位姿而时变,各液压支链实际参数的不同分布,通常使各支链液压缸处于负载耦合时变的变速运动中,加之摩擦和其他外力的干扰作用,平台动态运行时会产生抖动,影响平台的动态稳定性和轨迹的跟踪精度.

　　针对系统运动所存在的干扰问题,国外学者YUN J S等采用模型自适应方法对液压伺服系统的抗干扰进行了研究[1], PARKER N R等将负载力反馈,补偿大负载变化对液压缸运动的影响[2].学者VossoughiG和BejiL分别采用反馈非线性化扰动解耦[3]和基于奇异摄动原理的鲁棒控制[4]对多自由度电液伺服系统的耦合干扰进行了研究.国内学者刘长年提出应用结构不变性原理来补偿负载变化对液压缸运动的影响[5],学者王占林进行了状态反馈抗干扰和动态鲁棒补偿对负载干扰的抑制研究[6].学者焦宗夏等对负载模拟器的多余干扰力的抑制方面进行了深入的研究[7].还有一些学者采用智能控制方法,设计抗负载干扰补偿策略[8~10].

　　对于液压并联6-DOF平台系统,通过观测或测量获取各支链的负载变化,将之视为各关节支链的外部干扰,采用通用的抗干扰方法加以限制和补偿,对提高平台末端的动态跟踪性能较为有限.实际中,并不是所有的干扰力都是负面的,各液压支链运动过程中相互动态耦合的一部分干扰是因为要阻碍各支链间运动的不同步而产生的,将之视为外部干扰来抑制,则会限制系统恢复协调运动的能力.

　　本文在关节位置闭环控制基础上,同时设计基于结构不变性原理支链抗负载干扰补偿器和基于系统模型的干扰观测补偿器,根据系统关节负载的变化率大小将两种补偿器利用模糊规则组成综合补偿器,对干扰进行力闭环补偿.通过AMESim与MATLAB的联合仿真分析,结果验证了该控制器使平台在复合干扰力作用下,能够平稳运行,有效地提高了系统的整体动态跟踪性能.

　　1　系统坐标系与数学模型

　　1·1　系统坐标系和参数定义

　　如图1所示,系统由上、下平台和6个液压伺服阀控缸组成,液压缸与上、下平台分别由球铰与虎克铰连接.通过支链液压缸的伸缩运动,上平台可以进行6个自由度的空间运动.设平台上、下铰点分别为Bi,Ai(i =1,…,6).上、下平台的坐标系分别为惯性坐标系OgXgYgZg和运动坐标系OpXpYpZp.平台的结构参数分别为:上、下铰分布半径R1、R0,上、下铰点分布角θ1、θ0,支链铰间距l,中位时上平台高h.

　　1·2　系统动力学模型

　　由文献[11]可知平台关节动力学模型为

　　式中:Ma为关节空间质量阵,q为平台关节变量,Va为非线性科氏向心项系数矩阵,Ga为关节空间重力项,τr为关节综合干扰力,τ为液压缸驱动力.