一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在海上停泊或航行的艦船和潛艇由于波浪的強(qiáng)迫搖擺和艦船本身固有的搖擺，艦船武器裝備不可避免的隨著船體出現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)等搖擺方式的運(yùn)動(dòng)，主要表現(xiàn)為傾斜環(huán)境和搖擺環(huán)境。由于傾斜和搖擺環(huán)境所產(chǎn)生的靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力會(huì)導(dǎo)致艦船裝備故障(失效)，其影響模式如:導(dǎo)致產(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)原有作用力平衡的破壞;軸承受力條件的改變;因內(nèi)部自身液面位置動(dòng)蕩而導(dǎo)致工作失常；內(nèi)部液壓外泄，伺服系統(tǒng)因搖擺而工作失靈；電力傳輸線路位置動(dòng)蕩而導(dǎo)致斷裂、放電、短路等受損;元器件因承載多余應(yīng)力而導(dǎo)致虛焊、脫落；電子儀器屏蔽效果變差，發(fā)生電子信號(hào)干擾等。因此傾斜和搖擺環(huán)境適應(yīng)性是艦船裝備必須具備的重要質(zhì)量特性之一。
[0003]傾斜環(huán)境分為縱傾和橫傾兩種形式，搖擺環(huán)境分縱搖、橫搖、艏搖、縱蕩和垂蕩等6種形式，實(shí)際上6種形式的搖擺不一定同時(shí)存在，搖擺形式主要根據(jù)艦船相對(duì)于波浪的航向位置而定，每種搖擺形式的劇烈程度除受相對(duì)航向的影響外，還取決于波浪的大小、波浪的周期、艦船固有的搖擺周期及艦船的尺寸大小等，一般搖擺試驗(yàn)主要以橫搖、縱搖、艏搖為主。根據(jù)GJB 150.23A-2009試驗(yàn)條件，水面艦船和潛艇，橫搖最嚴(yán)酷的最大角度達(dá)±60°，周期為3?14s，縱搖最大角度達(dá)±15°，周期為4?10s。根據(jù)以上條件設(shè)計(jì)的串聯(lián)00型搖擺臺(tái)，設(shè)計(jì)的兩軸搖擺試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行橫搖+縱搖+橫傾+縱傾和橫搖+艏搖+橫傾的組合試驗(yàn)。按照武器系統(tǒng)或產(chǎn)品的質(zhì)量為It以上，負(fù)載質(zhì)心高度約lm，根據(jù)GJB 150試驗(yàn)條件，縱搖最大輸出扭矩估將超過lOOOON.m，橫搖最大輸出扭矩約為20000N.m?40000N.m。針對(duì)這類產(chǎn)品的海態(tài)環(huán)境模擬試驗(yàn)，通常需采用大扭矩串聯(lián)并驅(qū)式搖擺及傾斜試驗(yàn)臺(tái)才能完成。
[0004]目前，國內(nèi)外的傾斜搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為并聯(lián)式和串聯(lián)式兩大類。并聯(lián)式以Steward六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其變形結(jié)構(gòu)為代表，例如天津福云天翼、哈爾濱海軍工程大學(xué)研制的多自由度搖擺臺(tái)，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)模擬橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩和升沉等六種運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是幾何結(jié)構(gòu)決定搖擺角度不能大于40°。串聯(lián)式以三軸轉(zhuǎn)臺(tái)為典型代表，美國在串聯(lián)式搖擺臺(tái)研制方面處于世界領(lǐng)先地位，尤以CGC和Carco公司著名，但多為小型、小負(fù)載、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)。我國早期研制的多為慣導(dǎo)器件測試用小型轉(zhuǎn)臺(tái)，早期研制的大負(fù)載轉(zhuǎn)臺(tái)一般精度不高。九江精密測試技術(shù)研究所研制的船舶海航模擬、慣導(dǎo)器件測試用仿真轉(zhuǎn)臺(tái)，其結(jié)構(gòu)為典型的U-O-O形式，即轉(zhuǎn)臺(tái)由外框、中框和內(nèi)框組成。通過三個(gè)框的轉(zhuǎn)動(dòng)可以模擬出航天器或航海器的橫搖、縱搖和偏航運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計(jì)了一種立式U-O-O結(jié)構(gòu)串聯(lián)式三軸搖擺臺(tái)，內(nèi)框模擬船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)，中框模擬船舶的縱搖運(yùn)動(dòng)，而外框模擬船舶的偏航運(yùn)動(dòng)。該搖擺臺(tái)的最大橫搖和縱搖角度分別為±45°和±30°，但是內(nèi)框直徑只有0.4m，只能安裝慣導(dǎo)等小型器件。串聯(lián)式搖擺臺(tái)突出優(yōu)點(diǎn)是搖擺角度大、控制精度高。電機(jī)驅(qū)動(dòng)式可以實(shí)現(xiàn)無線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)(即可實(shí)現(xiàn)任意角度搖擺)，雙葉片擺動(dòng)液壓缸可實(shí)現(xiàn)100°轉(zhuǎn)動(dòng)；目前，串聯(lián)式搖擺臺(tái)國內(nèi)多為小尺寸和小負(fù)載類型，大尺寸和大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)國內(nèi)尚未成熟的產(chǎn)品推出。
[0005]國內(nèi)在搖擺臺(tái)控制方面做了一定的研究，通常的方法是利用位置、速度、電流三閉環(huán)原理實(shí)現(xiàn)搖擺臺(tái)多軸電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，采用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡方式控制三套交流伺服電機(jī)(三軸運(yùn)動(dòng)模擬搖擺臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，許衛(wèi)寶《自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用》2008，vo27，N0.5:20?23)。但這些搖擺控制器主要應(yīng)用在小尺寸和小負(fù)載串聯(lián)式搖擺臺(tái)的控制方面。關(guān)于大扭矩串聯(lián)式搖擺的并驅(qū)伺服控制文獻(xiàn)尚少，相關(guān)的控制裝置研發(fā)成熟產(chǎn)品也未見推出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種適用于模擬海洋運(yùn)輸環(huán)境的以液壓、電機(jī)以及兩者混驅(qū)的大扭矩串聯(lián)式搖擺試驗(yàn)臺(tái)為控制對(duì)象的大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制裝置及控制方法。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的:
[0008]一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制裝置，所述搖擺臺(tái)的橫搖外框采用雙電機(jī)并驅(qū)，所述搖擺臺(tái)的縱搖內(nèi)臺(tái)面采用雙擺動(dòng)缸并驅(qū)，所述控制裝置包括上位機(jī)、下位機(jī)、伺服控制機(jī)柜、旋變式角位移傳感器，所述伺服控制機(jī)柜內(nèi)設(shè)置有伺服控制器、總線通訊卡、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理模塊和功率放大模塊，所述上位機(jī)通過以太網(wǎng)與所述伺服控制器連接，所述伺服控制器、所述總線通訊卡、所述數(shù)據(jù)采集卡通過PXI總線通訊，所述數(shù)據(jù)采集卡通過所述信號(hào)調(diào)理模塊與所述旋變式角位移傳感器連接，所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過所述功率放大模塊送至控制所述雙擺動(dòng)缸的電液伺服閥，所述總線通訊卡的通訊端通過canopen總線通信協(xié)議與兩個(gè)所述電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器A和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器B以及搖擺控制器連接。
[0009]進(jìn)一步，所述控制裝置還包括PLC油源控制器，所述PLC油源控制器通過以太網(wǎng)與所述伺服控制器通訊。
[0010]具體地，所述伺服控制機(jī)柜內(nèi)還設(shè)置有交流穩(wěn)壓電源，所述伺服控制器、所述信號(hào)調(diào)理模塊和所述功率放大模塊均通過所述交流穩(wěn)壓電源供電。
[0011]優(yōu)選地，所述伺服控制器、所述總線通訊卡和所述數(shù)據(jù)采集卡均封裝在PXI機(jī)箱內(nèi)。
[0012]具體地，所述總線通訊卡為基于canopen總線通信協(xié)議的通用總線接口，采用2ms的閉環(huán)周期，同步實(shí)時(shí)以數(shù)字通信方式傳輸4路測量信號(hào)和4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述測量信號(hào)為所述電機(jī)或所述搖擺缸的角度信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)為所述電機(jī)或所述搖擺缸的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0013]基于上述控制裝置的一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制裝置的控制方法，包括雙電機(jī)的并驅(qū)控制方法和雙擺動(dòng)缸的并驅(qū)控制方法；
[0014]雙電機(jī)的并驅(qū)控制方法:由伺服控制器輸出相同的速度給定信號(hào)給電機(jī)A和電機(jī)B的驅(qū)動(dòng)器A和驅(qū)動(dòng)器B，并通過角位移反饋差動(dòng)抑制控制方法補(bǔ)償雙電機(jī)在擺動(dòng)過程中的角位移累計(jì)誤差，從而獲得補(bǔ)償后的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
[0015]雙擺動(dòng)缸的并驅(qū)控制方法:采用單液壓伺服閥同步驅(qū)動(dòng)雙擺動(dòng)缸，并通過角位移反饋信號(hào)控制下的重力距補(bǔ)償法補(bǔ)償由系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)心偏心導(dǎo)致的控制誤差及正弦波形失真。
[0016]具體地，所述角位移反饋差動(dòng)抑制方法包括下述步驟:
[0017](I)電機(jī)A的編碼器A和電機(jī)B的編碼器B分別輸出電機(jī)A和電機(jī)B的角位移信號(hào)Q1(t)和02(t)，角位移反饋信號(hào)0(t)為:
[0018]0⑴=0.5X [9i(t)+02(t)]
[0019](2)通過角位移反饋信號(hào)獲取雙電機(jī)角位移差動(dòng)反饋信號(hào)ri(t)為:
[0020]n(t) =Κ2 X [ 0i(t )-02( t)]
[0021]式中:K2為差動(dòng)增益；
[0022](3)獲取電機(jī)A和電機(jī)B的驅(qū)動(dòng)信號(hào)D1UWPD2U):
[0023]Di(t)=Ki.(u(t)-0(t))-η(?)
[0024]D2(t) =Ki.(u(t)_9(t))+η(?)
[0025]式中:Ki為控制增益，u(t)為給定角位移；
[0026]具體地，所述重力距補(bǔ)償法包括下述步驟:
[0027](I)通過旋變式角位移傳感器獲取角位移信號(hào)，并獲取角位移反饋控制中的誤差信號(hào)ek(t):
[0028]ek(t)=aX[u(t)-0(t)]
[0029]式中:a為控制增益，u(t)為給定角位移，9(t)為系統(tǒng)輸出角位移；
[0030](2)通過重力距補(bǔ)償，獲取擺動(dòng)缸的驅(qū)動(dòng)信號(hào)D(t):
[0031]D(t) =e(t)_k.sin(u(t))
[0032]式中:k為補(bǔ)償因子。
[0033]進(jìn)一步，所述控制方法還包括遠(yuǎn)程油源控制方法，利用網(wǎng)絡(luò)變量發(fā)布方式，采用以太網(wǎng)與所述PLC油源控制器通訊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式的油源遠(yuǎn)程控制。
[0034]本發(fā)明的有益效果在于:
[0035]本發(fā)明一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制方法是針對(duì)大扭矩雙電機(jī)并驅(qū)和雙擺動(dòng)缸并驅(qū)的伺服控制方法，通過引入角位移反饋差動(dòng)抑制方法和重力矩補(bǔ)償方法，能夠有效保證控制穩(wěn)定性和改善控制精度及角位移波形失真度；
[0036]利用總線通訊卡的總線通信模式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全數(shù)字通訊，提高了系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性;控制系統(tǒng)集成了雙電機(jī)并驅(qū)伺服控制、雙擺動(dòng)缸伺服控制和油源系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制功能，操作便捷、適用于單自由度、多自由度大負(fù)載串聯(lián)式搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)的控制領(lǐng)域；
[0037]本發(fā)明一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、合理，使用穩(wěn)定、可靠，一方面能夠保證大扭矩串聯(lián)型搖擺臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，另一方面也能改善了搖擺試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的控制精度，提高了系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性。
【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明所述一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制方法的雙電機(jī)的并驅(qū)控制方法的控制原理圖；
[0039]圖2是本發(fā)明所述一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制方法的雙擺動(dòng)缸的并驅(qū)控制方法的控制原理圖；
[0040]圖3是本發(fā)明所述一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。【具體實(shí)施方式】[0041 ]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0042]如圖3所示，本發(fā)明一種大扭矩串聯(lián)式搖擺臺(tái)的并驅(qū)伺服控制裝置，搖擺臺(tái)的橫搖外框采用雙電機(jī)并驅(qū)，搖擺臺(tái)的縱搖內(nèi)臺(tái)面采用雙擺動(dòng)缸并驅(qū)，控制裝置包括上位機(jī)、下位機(jī)、伺服控制機(jī)柜、旋變式角位移傳感器、PLC油源控制器，伺服控制機(jī)柜內(nèi)設(shè)置有伺服控制器、總線通訊卡、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理模塊、交流穩(wěn)壓電源和功率放大模塊，上位機(jī)通過以太網(wǎng)與伺服控制器連接，伺