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重载摇摆台垂荡液压伺服系统多缸同步特性研究

重载摇摆台垂荡液压伺服系统多缸同步特性研究

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作者：储景瑞华中科技大学

学位级别：硕士

本文基于某具有垂荡、横摇、纵摇运动的串联三自由度重载摇摆台,设计了垂荡驱动液压伺服系统,该系统包含四组驱动子系统。针对四组驱动子系统四缸同步性问题,分析了驱动子系统动态特性的影响因素,分别研究了用于驱动子系统和垂荡液压伺... 详细信息

本文基于某具有垂荡、横摇、纵摇运动的串联三自由度重载摇摆台,设计了垂荡驱动液压伺服系统,该系统包含四组驱动子系统。针对四组驱动子系统四缸同步性问题,分析了驱动子系统动态特性的影响因素,分别研究了用于驱动子系统和垂荡液压伺服系统的负载-初始压力匹配特性;借鉴最小二乘法,提出了四缸同步性能评价指标;采用联合仿真手段,分析了垂荡驱动液压伺服系统的四缸同步特性。并在此基础上提出了基于负载-初始压力匹配的同步控制策略,进一步提高了垂荡运动四缸同步性能。本文具体工作如下:首先,针对重载摇摆台垂荡运动负载高（280t）、尺寸大（长和宽分别为13.7m和12.5m）、运动幅值大（±1.5m）、速度快（1.89m/s）等特点,设计了垂荡驱动液压伺服系统。为增加摇摆台垂荡运动过程中的稳定性和安全性,采用四组驱动子系统进行驱动,每组驱动子系统包括垂荡驱动液压缸、垂荡承重液压缸、垂荡驱动阀组和垂荡承重动力源,其中,垂荡承重液压缸和垂荡承重动力源用于平衡系统重力,垂荡驱动阀组控制垂荡驱动液压缸以驱动摇摆台完成垂荡运动。本系统在平衡重力的基础上驱动摇摆台,降低了系统瞬时功率,但同时引入了四组驱动子系统四缸同步性问题。其次,建立了摇摆台垂荡运动动力学模型和驱动子系统数学模型。针对偏载力、承重动力源初始压力、承重动力源与液压缸间管路长度、承重动力源充气压力等因素,开展了驱动子系统动态响应仿真。分析发现偏载力和承重动力源初始压力对驱动子系统动态响应影响较大,基于该现象和驱动子系统数学模型,得出了负载-初始压力匹配特性。仿真结果表明,该特性的应用有效减小了偏载和承重动力源初始压力的影响,为后续四组驱动子系统同步特性的研究奠定了基础。再次,借鉴最小二乘法,提出了四缸同步性能评价指标。基于驱动子系统动态特性研究,开展了摇摆台垂荡液压伺服系统联合仿真分析,重点研究了偏载及承重动力源初始压力不同工况下摇摆台的动态响应和同步性能。结果表明,偏载和承重动力源初始压力差异均导致摇摆台垂荡运动同步误差增加。基于驱动子系统负载-初始压力匹配特性,分析了四组驱动子系统力学特性,得出了垂荡驱动液压伺服系统辅助-初始压力匹配特性并推导了匹配公式,通过该特性匹配计算各液压驱动装置蓄能器组初始压力,仿真结果表明,根据所计算结果设定承重动力源初始压力后,摇摆台同步运动误差减小,证明了该特性公式的正确性,为重载摇摆台垂荡液压伺服系统的同步控制提供了新方法。最后,研究了同步控制策略的同步性能,通过对比,拟采用环形交叉耦合同步控制策略,基于摇摆台实际尺寸改进了该控制策略,提出了环形交叉耦合双PID同步控制策略,联合仿真结果表明,该控制策略可在一定程度上减小重载摇摆台垂荡运动同步误差,但效果有限。因此,提出了基于负载-初始压力匹配特性的环形交叉耦合双PID同步控制策略,可在负载-初始压力匹配的基础上,进一步减小同步误差,从而证明了基于负载-初始压力匹配特性的环形交叉耦合双PID同步控制策略的有效性。本文在对重载摇摆台垂荡液压驱动伺服系统四缸同步特性研究过程中,提出了四缸同步性能评价指标、负载-初始压力匹配特性公式和基于负载-初始压力匹配特性的环形交叉耦合双PID同步控制策略,丰富了多缸同步控制系统理论,验证了重载摇摆台垂荡驱动液压伺服系统设计的正确性,指导了重载摇摆台垂荡驱动液压伺服系统控制策略研究工作,为重载摇摆台垂荡液压伺服系统的成功研制奠定了理论基础。

关键词：重载摇摆台同步控制液压伺服系统负载-初始压力匹配联合仿真

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三自由度重载摇摆台电液位置伺服系统控制方法研究

三自由度重载摇摆台电液位置伺服系统控制方法研究

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作者：江鹏华中科技大学

学位级别：硕士

多自由度摇摆台作为一种典型的物理仿真试验设备,其驱动系统的控制精度决定了多自由度摇摆台的运动精度。本论文研究的可实现横摇、纵摇、垂荡三自由度运动的重载摇摆台,采用电液位置伺服系统作为驱动装置,其存在负载结构尺寸大、质量... 详细信息

多自由度摇摆台作为一种典型的物理仿真试验设备,其驱动系统的控制精度决定了多自由度摇摆台的运动精度。本论文研究的可实现横摇、纵摇、垂荡三自由度运动的重载摇摆台,采用电液位置伺服系统作为驱动装置,其存在负载结构尺寸大、质量大、惯量大、各自由度运动相互耦合干扰等特点,导致该摇摆台在结构上需要四组液压缸同步驱动实现垂荡运动,运动过程中存在位置跟踪性能差等问题。为了提升三自由度重载摇摆台运动的位置跟踪性能和同步精度,对其电液位置伺服系统开展研究内容如下:首先,根据三自由度重载摇摆台的结构特点,对横摇、纵摇和垂荡运动进行了动力学建模,建立了其电液位置伺服系统数学模型。通过理论和仿真分析了横摇和纵摇运动之间的耦合干扰力矩、横摇和纵摇运动对垂荡运动的干扰力、垂荡运动负载偏载等干扰因素对三自由度重载摇摆台运动的影响。其次,采用ADAMS、AMESim和Matlab软件,设计了三自由度重载摇摆台虚拟样机,开展了基于前馈PID控制器的虚拟样机仿真研究。仿真表明,前馈PID控制器无法解决横摇和纵摇位置伺服系统受耦合干扰力矩的影响,跟踪性能较差。针对四通道垂荡位置伺服系统,设计了相邻交叉耦合同步控制策略,并基于前馈PID控制比较了等同同步和相邻交叉耦合同步控制策略。仿真结果表明,垂荡运动受干扰力和偏载影响较大,简单采用前馈PID控制器和同步控制策略无法获得满意的控制效果。最后,为了解决横摇和纵摇位置伺服系统、四通道垂荡位置伺服系统受干扰因素影响大的问题,通过反推法设计了一种非线性鲁棒控制器,克服了干扰因素的影响。虚拟样机仿真表明,对于横摇和纵摇位置伺服系统、四通道垂荡位置伺服系统,鲁棒控制算法的控制效果要明显优于前馈PID控制。基于相邻交叉耦合同步控制策略的鲁棒控制算法的控制效果,同样要明显优于基于等同同步控制策略的鲁棒控制算法,验证了所设计的相邻交叉耦合同步控制策略的有效性。综上,本论文的研究内容丰富了摇摆台的研究理论与方法,对于类似的电液位置伺服系统及同步控制系统的研究具有借鉴意义,同样对于三自由度重载摇摆台的工程实现和安全运行具有一定的工程意义。

关键词：重载摇摆台电液位置伺服系统动力学同步控制鲁棒控制

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