本文選題：并聯(lián)機(jī)構(gòu) + 阻尼耦合�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)以其承載能力強(qiáng)、剛度大、精度高的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中受到廣泛的應(yīng)用。但由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)固有的強(qiáng)非線性動力學(xué)特性,使得系統(tǒng)在物理空間內(nèi)各自由度之間存在強(qiáng)耦合特性,這種強(qiáng)耦合特性導(dǎo)致傳統(tǒng)基于物理空間設(shè)計(jì)的控制器很難獲得理想的高控制品質(zhì)。目前國內(nèi)外學(xué)者提出了一種新穎的模態(tài)空間控制策略,在粘性比例阻尼的假設(shè)條件下,基于模態(tài)解耦思想將物理空間內(nèi)強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為模態(tài)空間內(nèi)相互獨(dú)立的單輸入單輸出系統(tǒng),對各階模態(tài)單自由度系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立控制最終實(shí)現(xiàn)提升并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制性能、擴(kuò)展系統(tǒng)頻寬的目的。在工業(yè)應(yīng)用中,并聯(lián)機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)阻尼不可忽略,此時模態(tài)空間出現(xiàn)非粘性比例阻尼耦合現(xiàn)象,破壞了模態(tài)空間的解耦條件,嚴(yán)重制約了模態(tài)空間控制策略的發(fā)展。為此,本文對并聯(lián)機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)阻尼引起的耦合非線性進(jìn)行深入的機(jī)理分析,提出從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度消除模態(tài)空間阻尼耦合的新思路,擴(kuò)展了模態(tài)空間控制策略的適用范圍,具有十分重要的理論與工程應(yīng)用價值。本文從慣性參數(shù)辨識、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略三方面進(jìn)行研究。模態(tài)空間控制策略高控制品質(zhì)的發(fā)揮首先受到了系統(tǒng)慣性參數(shù)的影響,而現(xiàn)有的慣性參數(shù)辨識方法未考慮并聯(lián)機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)阻尼引起的耦合非線性,在辨識原理上存在缺陷。為此,本文提出一種消除阻尼耦合特性影響的慣性參數(shù)辨識方法。在建立考慮各關(guān)節(jié)阻尼特性的完整動力學(xué)模型基礎(chǔ)上,分析阻尼耦合與慣性參數(shù)辨識之間的關(guān)系,通過重新構(gòu)造包含阻尼耦合引起的各自由度相位差信息的辨識方程,從機(jī)理上消除阻尼耦合引起的慣性參數(shù)辨識誤差。同時,針對干摩擦引起的辨識誤差,給出基于波形失真度的辨識誤差量化評價指標(biāo)及辨識誤差的修正方法。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該辨識方法的有效性�；谀B(tài)解耦的設(shè)計(jì)方法則從結(jié)構(gòu)角度提供了一種消除系統(tǒng)動力學(xué)耦合特性的有效途徑,具有機(jī)械解耦性質(zhì)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)為模態(tài)空間控制策略發(fā)揮其優(yōu)越控制品質(zhì)奠定基礎(chǔ)。但現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法忽略了并聯(lián)機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)阻尼引起的模態(tài)阻尼耦合特性,導(dǎo)致其設(shè)計(jì)理論無法有效的對工業(yè)級低機(jī)械成本并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行指導(dǎo)。為此,本文在對包含系統(tǒng)阻尼特性的振動方程進(jìn)行模態(tài)分析的基礎(chǔ)上給出模態(tài)參數(shù)的封閉解析解,進(jìn)而揭示模態(tài)阻尼耦合特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系,提出通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)降低系統(tǒng)非粘性比例阻尼耦合成分從而使模態(tài)空間控制策略仍然適用的新方法。同時,針對并聯(lián)機(jī)構(gòu)在大運(yùn)動范圍時由于位姿引起的模態(tài)頻率耦合特性進(jìn)行分析,基于模態(tài)靈敏度給出全局模態(tài)頻率耦合評價指標(biāo)。最后以降低阻尼耦合特性及全局頻率耦合特性為綜合優(yōu)化目標(biāo),獲得消除阻尼耦合影響的全局模態(tài)解耦結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。最后,在通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)消除模態(tài)阻尼耦合影響之后,本文發(fā)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)阻尼特性引起了新的模態(tài)空間高頻過阻尼現(xiàn)象,限制了系統(tǒng)頻寬的進(jìn)一步提高。為此,本文結(jié)合液壓控制理論,提出一種通過動壓反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)阻尼比從而將系統(tǒng)頻寬擴(kuò)展至模態(tài)頻率附近的模態(tài)空間控制策略,并給出控制器的解析設(shè)計(jì)方法。同時,為了將模態(tài)空間控制策略應(yīng)用于具有大運(yùn)動范圍的并聯(lián)機(jī)構(gòu),本文對位姿引起的模態(tài)耦合特性進(jìn)行研究,基于消除模態(tài)躍遷的模態(tài)參數(shù)實(shí)時求解算法,將模態(tài)空間控制策略擴(kuò)展形成全局模態(tài)空間控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器可大幅提高系統(tǒng)控制性能,并具有結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍大、設(shè)計(jì)方便的優(yōu)點(diǎn),為模態(tài)空間控制策略應(yīng)用于工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。
[Abstract]:The six degree of freedom parallel mechanism is widely used in industry because of its strong bearing capacity, large stiffness and high precision. However, due to the inherent strong nonlinear dynamic characteristics of the parallel mechanism, the system has strong coupling characteristics between the degrees of freedom in the physical space. This strong coupling characteristic leads to the traditional control based on the physical space design. It is difficult to obtain ideal high control quality. At present, a novel mode space control strategy is proposed by scholars at home and abroad. Under the assumption of viscous proportional damping, the multi input and multi output system with strong coupling in physical space is transformed into a single input single input single output system in a modal space based on the modal decoupling idea. The independent control of each order mode single degree of freedom system can finally achieve the purpose of improving the control performance of the parallel mechanism and expanding the frequency width of the system. In industrial applications, the damping of the joints of the parallel mechanism can not be ignored. At this time, the non viscous damping coupling phenomenon appears in the modal space, which destroys the decoupling condition of the modal space and seriously restricts the modal space. For this reason, this paper analyzes the coupling nonlinearity caused by the joint damping of the parallel mechanism, and puts forward a new idea to eliminate the coupling of modal space damping from the angle of structure design, and extends the scope of application of modal space control strategy, which has very important theoretical and engineering application value. Three aspects of inertia parameter identification, structural design and control strategy are studied. The high control quality of the modal space control strategy is affected first by the inertial parameters of the system, and the existing inertia parameter identification method does not take into account the coupling non-linearity caused by the joint damping of the parallel mechanism, and there is a defect in the identification principle. For this reason, this paper An inertial parameter identification method is proposed to eliminate the influence of damping coupling characteristics. On the basis of a complete dynamic model considering the damping characteristics of each joint, the relationship between the damping coupling and the identification of the inertia parameters is analyzed. By reconstructing the identification equation of the phase difference information of each degree of freedom, which is caused by the damping coupling, the mechanism is eliminated from the mechanism. In addition to the inertia parameter identification error caused by damping coupling, the identification error evaluation index based on the waveform distortion and the correction method of identification error are given. The simulation and experimental results verify the validity of the identification method. The design method based on the mode decoupling provides the structure angle. It is an effective way to eliminate the coupling characteristics of the system dynamics. The parallel mechanism with mechanical decoupling properties lays the foundation for the mode space control strategy to play its superior control quality. However, the existing design method ignores the modal damping coupling characteristics caused by the joint damping of the parallel mechanism, which leads to the failure of the design theory to be effective. In this paper, a closed analytical solution of modal parameters is given on the basis of the modal analysis of the vibration equation containing the damping characteristic of the system, and the internal relationship between the modal damping coupling characteristics and the structural parameters is revealed, and the non viscous proportion resistance of the system is reduced by changing the structural parameters. The new method of modal space control is still applicable by the synthesis of the coupling system. At the same time, in view of the modal frequency coupling characteristics caused by the position and attitude of the parallel mechanism in large motion range, the global modal frequency coupling evaluation index is given based on the modal sensitivity. Finally, the damping coupling characteristic and the global frequency coupling characteristic are reduced. As a comprehensive optimization goal, the global modal decoupling optimization method is obtained to eliminate the damping coupling effect. Finally, the joint damping characteristics of the parallel mechanism are found to cause a new modal space high frequency over damping after the damping coupling effect is eliminated by structural design, which limits the further enhancement of the system bandwidth. In this paper, based on the hydraulic control theory, this paper proposes a modal space control strategy which can reduce the system damping ratio by dynamic pressure feedback and expand the system frequency to the modal frequency, and gives the analytical design method of the controller. At the same time, in order to apply the modal space control strategy to a parallel mechanism with large motion range. In this paper, the modal coupling characteristics caused by position pose are studied. Based on the real time solving algorithm of modal transition, the modal space control strategy is extended to form a global modal space controller. The experimental results show that the controller can greatly improve the control performance of the system, and has a simple structure, large scope of application and convenient design. Advantages lay the foundation for the application of modal space control strategy in engineering practice.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH112

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本文編號：2056405