基于优化分配的多通道并联平台力-位姿稳定控制方法

技术领域

本发明属于伺服驱动与控制领域，具体涉及一种基于优化分配的多通道并联平台力-位姿稳定控制方法。

背景技术

多通道并联平台是包含多个直线驱动装置并联的一对机械平台，驱动装置安装在基础平台和动平台之间。多通道并联平台用于维持动平台上装备的稳定，可以保证空间多轴运动平稳，因此被广泛应用在车辆、船舶和航空航天模拟等领域。然而平台驱动间约束关系紧密，强耦合控制复杂，对控制算法要求高。

在实际应用中，由于外部环境复杂，多通道并联平台不仅受垂直方向振动扰动力，还要受多轴扰动、姿态扰动(横滚、俯仰等)。在多轴扰动复合稳定控制过程中，需要解决两个问题：第一，稳定平台接受扰动姿态的信号有滞后性，导致调整位姿也有滞后性；第二，各轴的扰动程度不同(如姿态与垂直方向扰动力)，需要优化分配不同自由度扰动的复合控制以取得更好的稳定效果。对于第一个问题，现有方法广泛采用前馈补偿机制矫正系统，通过向系统中添加额外的输入信号来改善系统的性能，虽然可以实现姿态平稳控制、降低系统响应时间，但是很少考虑到多轴方向的位姿扰动，且没有实现主动自适应调整位姿控制。对于第二个问题，现有方法多采用力-位姿复合稳定控制，虽然基于力/位姿的混合控制方法，可以有效实现力/位姿混合柔顺控制，但是没有考虑到力和位姿多重扰动下对平台稳定性的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多轴扰动下基于优化分配的多通道并联平台力-位姿复合稳定控制方法，实现多通道并联平台高精度、高柔度及高稳定性复合控制目标。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

基于优化分配的多通道并联平台力-位姿稳定控制方法，包括以下步骤：

首先，采用前馈控制器对平台的横滚扰动角速度、横滚扰动角、俯仰扰动角速度和俯仰扰动角进行滤波降噪处理，并通过降噪后的横滚扰动角速度对降噪后的横滚扰动角进行前馈控制，通过降噪后的俯仰扰动角速度对降噪后的俯仰扰动角进行前馈控制，减少偏差，然后将前馈处理后的横滚扰动角和前馈处理后的俯仰扰动角输送到优化分配控制器中；

其次，针对前馈控制器输出的横滚扰动角和俯仰扰动角，以及平台的力-位姿转换模块接收到的外部扰动力，建立归一化函数，消除不同数据特征之间的量纲差异，得到横滚扰动角的归一化函数值、俯仰扰动角的归一化函数值、外部扰动力的归一化函数值；

然后，计算归一化后横滚扰动角、俯仰扰动角和外部扰动力的函数值各自在三者归一化函数值之和中的占比，将三个占比分别作为优化分配函数的输入变量x，建立计算权重因子的优化分配函数，从而通过权重因子对控制回路中前馈控制器输出的横滚扰动角和俯仰扰动角以及平台的力-位姿转换模块输出的外部扰动力分别进行加权处理，建立的优化分配函数如下：

式中，ρ

最后，在平台受到相应的扰动时，优化分配控制器会根据自变量x自适应调整相应的权重因子ρ

进一步地，所述前馈控制器包括横滚角前馈控制器和俯仰角前馈控制器，其中，横滚角前馈控制器分别通过卡尔曼滤波和均值滤波方法对平台的横滚扰动角速度和横滚扰动角进行滤波，从而进行降噪，并通过降噪后的横滚扰动角速度对降噪后的横滚扰动角进行前馈控制，减少偏差，然后将前馈处理后的横滚扰动角输送到优化分配控制器中；俯仰角前馈控制器分别通过卡尔曼滤波和均值滤波方法对平台的俯仰扰动角速度和俯仰扰动角进行滤波，从而进行降噪，并通过降噪后的俯仰扰动角速度对降噪后的俯仰扰动角进行前馈控制，减少偏差，然后将前馈处理后的俯仰扰动角输送到优化分配控制器中；且前馈控制器输出的横滚扰动角和俯仰扰动角不超过预设的横滚角阈值和俯仰角阈值。

进一步地，建立的归一化函数如下：

式中，f

进一步地，所述自变量x是根据前馈控制器输出的前馈处理后的横滚扰动角α、前馈处理后的俯仰扰动角β以及力-位姿转换模块输出的外部扰动力F计算得到的，计算自变量x的函数

式中，

进一步地，三个权重因子分别为对应控制外部扰动力和位移的权重因子ρ

进一步地，上平台位移量为

式中，

与现有技术相比，本发明控制方法具有以下优点：

解决了外界环境对多通道并联平台多轴力-位姿扰动问题，采用姿态前馈控制器提高了系统位姿控制的平稳性，提升了系统响应速度；建立计算权重因子的优化分配函数，通过优化分配器实时调节权重因子，从而通过权重因子对横滚扰动角和俯仰扰动角以及外部扰动力分别进行加权处理，从而实现力与位姿的动态优化分配控制，达到各通道力-位姿的复合稳定控制效果。

附图说明

图1为本发明基于优化分配的多通道并联平台力-位姿稳定控制方法的原理图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

本发明的所使用的多通道并联平台是一个Stewart平台，其主要由上平台、下平台、六个电动伺服缸、姿态角传感器、力传感器、力-位姿转换模块和底层计算机组成。上平台为动平台，下平台为静平台，在下平台受到外部力扰动时，六个电动伺服缸改变其推杆的伸长量来保持上平台的水平。其中，每个电动伺服缸上都有姿态角传感器和力传感器。平台受到的扰动是以X轴Y轴姿态角的改变和Z轴向的扰动力体现的，将平台绕X轴的转动角度作为横滚角，绕X轴的扰动则为横滚角扰动；绕Y轴的转动作为俯仰角，绕Y轴的扰动则为俯仰角扰动。

本发明采用了前馈控制器和优化分配控制器来接收平台受到的扰动数据并进行处理。

其中，姿态角传感器用于检测平台的横滚扰动角速度、横滚扰动角、俯仰扰动角速度和俯仰扰动角，并将实时数据传输给前馈控制器；力传感器用于检测平台受到的外部扰动力，并将实时数据传输给力-位姿转换模块；前馈控制器和力-位姿转换模块对接收到的数据进行处理并将处理后的数据输送至优化分配控制器中。

如图1所示的基于优化分配的多通道并联平台力-位姿稳定控制方法：

首先，通过前馈控制器对姿态角传感器获取的横滚扰动角速度、横滚扰动角、俯仰扰动角速度和俯仰扰动角进行滤波降噪处理。前馈控制器包括横滚角前馈控制器和俯仰角前馈控制器，其中，横滚角前馈控制器通过卡尔曼滤波方法对姿态角传感器获取的并联平台的横滚扰动角速度进行滤波，通过均值滤波方法对姿态角传感器获取的并联平台的横滚扰动角进行滤波，从而进行降噪，并通过降噪后的横滚扰动角速度对降噪后的横滚扰动角进行前馈控制，减少偏差，然后将前馈处理后的横滚扰动角输送到优化分配控制器中；俯仰角前馈控制器通过卡尔曼滤波方法对姿态角传感器获取的并联平台的俯仰扰动角速度进行滤波，通过均值滤波方法对姿态角传感器获取的并联平台的俯仰扰动角进行滤波，从而进行降噪，并通过降噪后的俯仰扰动角速度对降噪后的俯仰扰动角进行前馈控制，减少偏差，然后将前馈处理后的俯仰扰动角输送到优化分配控制器中；且前馈控制器输出的横滚扰动角和俯仰扰动角不超过预设的横滚角阈值和俯仰角阈值。

同时，针对前馈控制器输出的横滚扰动角和俯仰扰动角，以及力-位姿转换模块输出的外部扰动力，建立归一化函数。归一化函数的作用是将横滚扰动角、俯仰扰动角以及外部扰动力数据按照一定的规则进行缩放，使得数据的取值范围在特定的区间内，这样可以消除不同特征之间的量纲差异，使得数据更容易比较和分析。建立的归一化函数如下：

式中，f

然后，为实现位姿(即上平台的俯仰角、横滚角和位移)和减震力(六个电动伺服缸根据位姿来减小平台振动所输出的合力)的优化分配控制，本方法设计了优化分配函数用于计算权重因子，从而通过权重因子对控制回路中横滚角前馈控制器、俯仰角前馈控制器、以及力-位姿转换模块的输出数据进行加权处理，权重因子可根据上平台的横滚扰动角、俯仰扰动角以及外部扰动力的大小实时调节，优化分配函数的计算公式如下：

式中，ρ

其中，自变量x是根据前馈控制器输出的前馈处理后的横滚扰动角α、前馈处理后的俯仰扰动角β以及力-位姿转换模块输出的外部扰动力F计算得到的，计算自变量x的函数

式中，

因此，可得权重因子ρ

其中，如图1所示的力-位姿转换模块中，假设在控制过程中平台在Δt时间内沿Z轴方向做初始速度为零、加速度为a

式中，

在平台受到相应的扰动时，优化分配控制器会根据自变量x自适应调整相应的权重因子ρ