【正文】 圖 正向運(yùn)行 PLC 指令圖⑤、負(fù)向運(yùn)行無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文22圖 負(fù)向運(yùn)行 PLC 指令圖⑥、急停無(wú)論正向還是負(fù)向運(yùn)行，都會(huì)立即停止。圖 急停 PLC 指令圖⑦行程始端末端自動(dòng)停止六自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自動(dòng)控制23圖 行程始端末端自動(dòng)停止 PLC 指令圖⑧、自動(dòng)回程如果開(kāi)始選擇了自動(dòng)回程（事實(shí)上在油缸運(yùn)作中也可以對(duì)此項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置），活塞完全伸出后，等待時(shí)間為 1m，之后自動(dòng)返回初始位置。圖 自動(dòng)回程 PLC 指令圖⑨、復(fù)位首先全部動(dòng)作停止無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文24圖 復(fù)位 PLC 指令圖之后等待 1m，活塞自動(dòng)回到初始位置。圖 活塞延時(shí)回到初始位置 PLC 指令圖六自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自動(dòng)控制255 液壓伺服系統(tǒng)的建模與仿真 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本文研究的模擬機(jī)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由液壓驅(qū)動(dòng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由控制計(jì)算機(jī)、作動(dòng)器、液壓泵站、控制板卡和各類(lèi)接口、現(xiàn)場(chǎng)總線、傳感器等組成,總體結(jié)構(gòu)如圖 所示。圖 平臺(tái)控制示意圖主控計(jì)算機(jī)(Host industrialPC)通過(guò) HSSL(HighSpeed SerialLink)與控制板卡實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、讀取,同時(shí)通過(guò) FIP(Factory Instrumentation Protocol)與液壓泵站和集成板卡進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。控制板卡和作動(dòng)器之間,作動(dòng)器和液壓泵站之間都有位置和壓力反饋回路,形成閉環(huán)控制,以實(shí)現(xiàn)精確控制的目標(biāo)。來(lái)自主控計(jì)算機(jī)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)指令通過(guò) HSSL 和集成板卡上的 MIO DSP(modular input/output),與來(lái)自作動(dòng)器上的位置和壓力傳感器信號(hào)作偏差,通過(guò)控制算法將結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號(hào),控制伺服驅(qū)動(dòng)放大器,最后將結(jié)果輸出到伺服閥,通過(guò)控制伺服閥的接通和斷開(kāi),調(diào)節(jié)六個(gè)作動(dòng)器的伸縮運(yùn)動(dòng)。模擬出與與操作相匹配的上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。 數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的研究主要是對(duì)電液伺服閥閉環(huán)回路進(jìn)行研究。電液伺服閥是一種最基本和最常用的液壓伺服系統(tǒng)。主要用于控制進(jìn)入作動(dòng)器的液流的方向和速率,在電液伺服控制系統(tǒng)中,伺服閥的功能是將電氣信號(hào)(電壓、電流)變成液壓信號(hào)(壓力、流量)。在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的同時(shí),將信號(hào)放大。電液伺服閥通常由力矩馬達(dá)、液壓放大器、反饋機(jī)構(gòu)三部分組成。具有響應(yīng)速度快、輸出功率大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。力矩馬達(dá)的輸出力矩很小,無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)功率級(jí)閥的運(yùn)動(dòng),此時(shí)需要增加液壓前置級(jí),將力矩馬達(dá)的輸出進(jìn)行放大處理,進(jìn)一步控制功率閥,這就構(gòu)成了多級(jí)電液伺服閥。本文研究的機(jī)構(gòu)采用的是 MOOG 二級(jí)電液伺服閥。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文26圖 電液伺服閥 單個(gè)作動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型單個(gè)伺服控制系統(tǒng)的輸出 Y 對(duì)輸出 X 的部分傳遞函數(shù)為： ?? 2231242hvhhtCEetCEv KssFAKUYsGh??????????????（1）式(1)中,Kv 為系統(tǒng)的電液伺服閥、電子伺服放大器的傳遞函數(shù)；ωh 為液壓缸的固有頻率；KCE 為總流量壓力系數(shù)；δh 為阻尼比；βe 為液壓油的體積彈性模量；A1 為液壓缸活塞有效面積；vt 為液壓缸左右腔及其與伺服閥連接管路的體積之和； Ft 為集中考慮作用在液壓主動(dòng)關(guān)節(jié)上的等效干擾力。根據(jù)系統(tǒng)的特征參數(shù)，取Kv=，ωh=320Hz，δh=，βe=7*10 8Pa，vt=*10 4m3，F(xiàn)t=1000N，K CE=*1012m5/(S N)，A1=*10 4m2，傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為：??6102487..3????sssUYSG 系統(tǒng)的控制及仿真 基于常規(guī) PID 的控制系統(tǒng)仿真研究常規(guī)的 PID 控制器因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)物理意義明確、被控對(duì)象適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等顯著特點(diǎn),在各種控制理論不斷出現(xiàn)的今天,在工業(yè)控制領(lǐng)域仍然占有很大的比重。PID 是按偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D) 組合而成的控制規(guī)律。比例控制簡(jiǎn)單易行,積分的加入能消除靜差,微分項(xiàng)則能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在已知傳遞函數(shù)的情況下,需要合理的選取比例、積分、微分系數(shù),以便獲得滿意的系統(tǒng)性能。六自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自動(dòng)控制27在本文中針對(duì)控制閉環(huán)回路在 Matlab 中繪制對(duì)應(yīng)的根軌跡圖,確定傳遞函數(shù) PID 控制中比例環(huán)節(jié)的臨界值。然后反復(fù)調(diào)試整定,確定 Kp 的值為 20。最后根據(jù)臨界增益和臨界周期調(diào)整法則,對(duì) Ki 和 Kd 的值進(jìn)行選取。最后確定為： ,1,20??dipK 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法PID 控制器主要的局限是在于它對(duì)被控對(duì)象的依賴(lài)性,一般需要預(yù)先知道被控對(duì)象的傳遞函數(shù)才能進(jìn)行設(shè)計(jì),而這在工業(yè)設(shè)計(jì)中往往很難做到。雖然可以采用一些近似的工程整定方法來(lái)選擇 PID 參數(shù),但是仍需反復(fù)調(diào)試與實(shí)驗(yàn),一般很難做到最優(yōu)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法具有很強(qiáng)的非線性映射能力,不需要事先了解描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。并且具有一定的容錯(cuò)能力,即輸入樣本中有個(gè)別錯(cuò)誤時(shí),對(duì)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出規(guī)律影響很小。能逼近任意非線性函數(shù),可以處理那些難以用模型和規(guī)則描述的過(guò)程,在一些不確定系統(tǒng)的控制中已成功的應(yīng)用。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制具有高度非線性,而且在載荷的作用下,對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很強(qiáng)的外干擾。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 PID 控制相結(jié)合,即在常規(guī) PID 控制的基礎(chǔ)上增加一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線調(diào)整 PID 參數(shù)?？梢匀〉酶玫目刂菩Ч；?BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 PID 控制器如圖 4 所示?？刂葡到y(tǒng)由兩部分組成,傳統(tǒng)的 PID 控制器和 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況調(diào)節(jié) PID 參數(shù),使輸出層對(duì)應(yīng)的三個(gè)參數(shù)通過(guò)自學(xué)習(xí)、權(quán)系數(shù)調(diào)整,不斷趨于最優(yōu)。圖 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 PID 控制器整個(gè)控制系統(tǒng)采用 353 結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制,其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。輸入的 3 個(gè)量分別為設(shè)定值和實(shí)際值,以及誤差值。輸出則對(duì)應(yīng)三個(gè)可調(diào)參數(shù)：Kp 、Ki、Kd 。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、權(quán)系數(shù)調(diào)整,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)某種最優(yōu)控制規(guī)律下的 PID 控制參數(shù)。圖 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸入為：無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文28 ????kxkxhn,21??（2）網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入、輸出參數(shù)為： ?????phkifhobxwini,211? ?????（3）式(2)中的 n 為輸入層所含神經(jīng)元的個(gè)數(shù),取為 3。式(3)中 bh 為隱含層的閥值,w ih 為隱含層神經(jīng)元的加權(quán)系數(shù)。隱含層的激活函數(shù)為正切 sigmoid 函數(shù)。 ??xexf???tan（4）式(4)能將神經(jīng)元的輸入范圍從(], +])映射到(1, +1)的范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸入、輸出表示為： ?????qokyifobhwip,21,1? ?????輸入和輸出神經(jīng)元的傳輸函數(shù)也選擇 Sigmoid 函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練函數(shù)選擇：tansig。 仿真實(shí)現(xiàn)以六自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作為控制對(duì)象,控制過(guò)程中由 HostPC 根據(jù)上平臺(tái)的軌跡,通過(guò)正解運(yùn)算,規(guī)劃出各個(gè)液壓桿的伸縮量及速度。將 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 算法嵌入到控制系統(tǒng)中。對(duì)液壓缸的位置設(shè)定值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算。不斷調(diào)整計(jì)算,實(shí)現(xiàn)精確控制。應(yīng)用上述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),進(jìn)行自主學(xué)習(xí),可得到一組 PID 控制參數(shù),分別為：,.2??dipKK為了進(jìn)行對(duì)比分析,常規(guī) PID 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 在 Matlab 中的階躍響應(yīng)仿真曲線如圖 6 所示。六自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自動(dòng)控制29圖 兩種方法所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)從仿真曲線可以看出,傳統(tǒng)的常規(guī) PID 與基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的 PID 控制效果相比較,從系統(tǒng)的上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量等指標(biāo)來(lái)看,基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)優(yōu)化要非常明顯的優(yōu)于常規(guī)的 PID 控制。參數(shù)很好的得到了優(yōu)化,改善了控制特性。對(duì)六個(gè)液壓缸分別進(jìn)行軌跡控制,在模擬機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),得到各個(gè)液壓桿的誤差曲線(如圖 7 所示),從圖上可以看出,在平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定后,誤差已經(jīng)控制在非常小的范圍內(nèi),基本做到了精確控制。圖 誤差曲線圖無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文306 液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)仿真虛擬樣機(jī)技術(shù)是建造物理樣機(jī)前對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象在計(jì)算機(jī)上建立的虛擬模型機(jī)，利用其完成設(shè)計(jì)對(duì)象功能的可行性及其工作性能的分析，更好地理解系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性，比較設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)械設(shè)計(jì)效率等。仿真模型的建立和模擬現(xiàn)實(shí)條件是虛擬樣機(jī)的重要基礎(chǔ)。筆者設(shè)計(jì)的六自由度液壓平臺(tái)因其自由度較多，正過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真比較困難，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)逆過(guò)程的仿真，即給定末部執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡或運(yùn)動(dòng)參數(shù)，來(lái)研究各驅(qū)動(dòng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和特性，包括平臺(tái)的建模、仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程、極限位置、最大運(yùn)動(dòng)量、干涉等。 液壓平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)包括上、下平臺(tái)，變長(zhǎng)桿系統(tǒng)，鏈接上、下平臺(tái)和變長(zhǎng)桿的鉸接元件，力傳感元件，位移傳感元件等，如圖 所示。圖 六自由度液壓平臺(tái)裝配模型下平臺(tái)為固定平臺(tái)，上平臺(tái)是可動(dòng)平臺(tái)，采用 6 根變長(zhǎng)桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。6 根變長(zhǎng)支桿采用鉸接在上、下平臺(tái)之間的液壓缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。從模仿人肌肉的角度出發(fā)，為體現(xiàn)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)一體化的思想，將力傳感器分別集成在液壓平臺(tái)的 2 個(gè)平臺(tái)間的 6 個(gè)液壓缸的缸桿上，用6 個(gè)一維拉、壓傳感器檢測(cè) 1 個(gè)六維力。位移檢測(cè)元件位移傳感器選用 FX．I 1 型直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器。它把振蕩器、相敏解調(diào)器與差動(dòng)變壓器封裝在一起，只需提供穩(wěn)定的直流電源，就能獲得與位移量成線性關(guān)系的直流電壓輸出。鉸接元件，采用萬(wàn)向節(jié)鉸接設(shè)計(jì)。這樣，在支路上，上、下萬(wàn)向節(jié)各有 2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，液壓缸伸縮有 1 個(gè)移動(dòng)自由度，缺少的 1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度由液壓缸和液壓活塞桿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。六自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自動(dòng)控制31圖 平臺(tái)設(shè)計(jì)和分析流程圖按照上面的設(shè)計(jì)原則，采用的結(jié)構(gòu)尺寸：上、下鉸接元件的分布圓半徑分別為上平臺(tái)半徑 ra=300mm，下平臺(tái)半徑 rb=600mm，液壓缸行程為 60mm，上、下平臺(tái)的初始位置高度為，上、下鉸接點(diǎn)之間的距離和上平臺(tái)端鉸接元件的分布圓之間的關(guān)系滿足：?。另外，為了保證鉸接元件運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)空間的充分利用，采用支座設(shè)計(jì)使鉸接元件224arl在液壓缸的中間工作位置時(shí)處在原始狀態(tài)(即鉸接元件的軸線重合狀態(tài))。 虛擬樣機(jī)的建立與仿真SW 是美國(guó) SolidWorks 公司生產(chǎn)的完全基于 NT／Windows 平臺(tái)的集三維機(jī)械設(shè)計(jì)(CAD)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析和結(jié)構(gòu)有限元分析(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、大型企業(yè)管理(PDM)等各種功能為一體的軟件。利用 SW 對(duì)六自由度液壓平臺(tái)進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)分析，必須以三維實(shí)體為基礎(chǔ)，合理選擇運(yùn)動(dòng)副和定義連桿的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)六自由度液壓平臺(tái)的正確運(yùn)動(dòng)仿真。同其它方法相比，該方法可以很容易解決看起來(lái)很復(fù)雜的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)仿真問(wèn)題。依托SW 強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)分析功能，能精確地對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算，并可以得出漂亮的虛擬現(xiàn)實(shí)的動(dòng)畫(huà)演示，能夠很好地解決復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律問(wèn)題。通過(guò)建立虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，可以降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率。并且能夠?qū)\(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真，檢查機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性等，對(duì)實(shí)際樣機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要的參考和指導(dǎo)價(jià)值。 零件建模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是和造型設(shè)計(jì)合為一體的，所以必須在零件模式下繪出零件的立體模型。SolidWorks 是非常有效的三維設(shè)計(jì)軟件，利用軟件進(jìn)行實(shí)體建模十分方便。根據(jù)部件的形狀和尺寸，在 SolidWorks 軟件的零件模塊中利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征創(chuàng)建方式建立各個(gè)零件的模型。在建模過(guò)程中，一定要充分利用各零部件之間的位置關(guān)系和連接關(guān)系，選擇合適的草繪平面、參照平面及特征的生成方式，即通過(guò)合理地設(shè)定各零件之間的父子關(guān)系，以盡量減少部件上的定位尺寸，提高設(shè)計(jì)效率。這里不做具體分析，主要零部件的建模結(jié)構(gòu)如圖 所示。無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文32圖 部分零件的建模利用 SW 軟件的零件建模模塊(Parts)生成六自由度液壓平臺(tái)各零件的三維模型，其中平臺(tái)的基座、上平臺(tái)與液壓缸聯(lián)接用萬(wàn)向節(jié)的聯(lián)接座，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜和困難，因其接觸配合面為一空間面，與坐標(biāo)平面無(wú)任何位置關(guān)系，又要保證下動(dòng)板處于中間位置時(shí)，液壓缸和兩側(cè)的萬(wàn)向節(jié)的 4 個(gè)叉形接頭軸線重合，并要保證與基座相接的萬(wàn)向節(jié)回轉(zhuǎn)中心分布在直徑 600mm 的圓上，與下動(dòng)板相接的萬(wàn)向節(jié)回轉(zhuǎn)中心分布在直徑 300ram 的圓上，萬(wàn)向節(jié)兩兩成對(duì)，共 3 對(duì)，每對(duì)回轉(zhuǎn)中心間距 80mm，圓周分布(參考圖 1 和圖 6)。所以要經(jīng)過(guò)精確空間位置計(jì)算，利用構(gòu)建輔助線、輔助面、拉伸等方法完成建模。 裝配設(shè)計(jì)六自由度液壓平臺(tái)的裝配設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，包含萬(wàn)向節(jié)的裝配、液壓缸的裝配、力傳感器的裝配、位移傳感器的裝配等，因零件較多，為方便裝配，采用自底而上的裝配方法。在具體操作中，應(yīng)該根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)選擇合適的連接形式，并對(duì)運(yùn)動(dòng)元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束。正確地選擇并使用約束類(lèi)型和連接形式，對(duì)能否成功地實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真至關(guān)重要。六自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自動(dòng)控制33圖 部分零件分組裝配圖 自底而上的裝配過(guò)程為了便于運(yùn)動(dòng)分析，按照運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行部件裝配，即按照部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分組，如液壓缸體和位移傳感器裝配