六自由度运动平台液压伺服系统的建模与仿真

　　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1965年[1], Stewart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Stewart平台。它具有承载能力强,刚度好、无积累误差、精度高等优点。Mac. callion和Pha-mD.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[2]。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Thales公司生产的全动模拟机(FullFlightSimulator)。

　　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。

　　主控计算机(Host industrialPC)通过HSSL(HighSpeed SerialLink)与控制板卡实现实时数据传输、读取,同时通过FIP(Factory Instrumentation Protocol)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HSSL和集成板卡上的MIO DSP(modular input/output),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[3]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MOOG二级电液伺服阀。其结构如图3所示。