本文關(guān)鍵詞：六自由度并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：六自由度并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)是海上補(bǔ)給的關(guān)鍵裝備,主要用于海上集裝箱堆垛和魚雷導(dǎo)彈裝填等需要精確定位的補(bǔ)給作業(yè)中,能夠控制貨物的位置和姿態(tài),并且消除海浪引起的艦船運(yùn)動(dòng)對(duì)海上補(bǔ)給的影響。目前國內(nèi)外對(duì)六自由度并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的研究比較少,相關(guān)技術(shù)還不成熟,尤其是并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制缺乏理論支撐。立足這一現(xiàn)狀,本文探索研究了并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制中的若干關(guān)鍵問題,研究成果可用于指導(dǎo)并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的研制。并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)際上是具有動(dòng)基座的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)方面,本文從并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和功能要求出發(fā),制定了繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上,分別研究了力旋量可行工作空間求解、無奇異的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及動(dòng)基座繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的抗擺和振動(dòng)特性等問題。在控制方面,針對(duì)并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)控制面臨的參數(shù)不確定和未知干擾等問題,研究了滑模控制方法、負(fù)載慣性參數(shù)辨識(shí)方法以及張力分布優(yōu)化算法。論文主要的研究內(nèi)容包括:1)提出了基于繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度波浪補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案,分析了該方案的相對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償原理和擺動(dòng)消除原理,在理論上證明了該方案能夠完全補(bǔ)償兩艦船之間的六自由度相對(duì)運(yùn)動(dòng)并且能夠消除貨物擺動(dòng)。提出了繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)要求,為下文的研究奠定了基礎(chǔ)。2)針對(duì)現(xiàn)有的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間求解方法的缺陷,提出了一種基于邊界搜索的力旋量可行工作空間求解方法。該方法利用高維空間投影來驗(yàn)證單個(gè)位姿的力旋量可行條件,通過深度優(yōu)先搜索算法尋找工作空間邊界,不僅能得到工作空間的直觀表達(dá),而且顯著減小了計(jì)算量。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)例分析了力旋量可行工作空間與構(gòu)型參數(shù)之間的關(guān)系,為構(gòu)型參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。3)分析了繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異類型和特點(diǎn),重點(diǎn)研究了構(gòu)型奇異和位形奇異的消除方法。提出了一種奇異性驗(yàn)證方法,通過區(qū)間估計(jì)和分支修剪算法來驗(yàn)證指定的工作空間中是否存在奇異,為避免奇異位形開辟了新的路徑。4)針對(duì)基座運(yùn)動(dòng)引起的擺動(dòng)和振動(dòng),研究了消擺和抑振的方法。為了衡量機(jī)構(gòu)的抗擺能力,提出了抗擺工作空間的概念和初始繩間力優(yōu)化方法,分析了抗擺能力與構(gòu)型參數(shù)間的關(guān)系,為提高機(jī)構(gòu)的抗擺能力指明了方向,并通過縮比機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些結(jié)論。推導(dǎo)了繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)振動(dòng)方程,分析了固有頻率及其影響因素,研究了避免共振的方法。5)并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)控制面臨的主要問題是不確定參數(shù)和未知干擾。為了解決這些問題,提出了帶有邊界層的滑模控制方法和負(fù)載慣性參數(shù)辨識(shí)方法。針對(duì)具有冗余構(gòu)型的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu),研究了基于交互投影的張力分布優(yōu)化算法,能夠在可行解存在的條件下得到連續(xù)、安全的最優(yōu)張力分布,在可行解不存在的條件下得到最佳近似分布。通過Matlab和Adams聯(lián)合仿真驗(yàn)證了這些方法的有效性,將仿真結(jié)果與傳統(tǒng)的計(jì)算力矩控制進(jìn)行對(duì)比,證明了本文提出的控制方法對(duì)于不確定參數(shù)和未知干擾具有更強(qiáng)的魯棒性,能夠提高波浪補(bǔ)償控制精度。
【關(guān)鍵詞】：并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng) 繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu) 力旋量可行工作空間 奇異性驗(yàn)證 抗擺能力 振動(dòng)特性 滑�？刂� 張力分布優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U674.98;TH112
【目錄】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第一章 緒論15-37
• 1.1 研究背景與意義15-16
• 1.2 相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-33
• 1.2.1 相對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)研究現(xiàn)狀16-22
• 1.2.2 擺動(dòng)抑制技術(shù)研究現(xiàn)狀22-23
• 1.2.3 繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀23-33
• 1.3 研究思路與內(nèi)容安排33-37
• 1.3.1 研究思路33-35
• 1.3.2 內(nèi)容安排35-37
• 第二章 六自由度并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理37-50
• 2.1 六自由度并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案37-39
• 2.2 坐標(biāo)系定義與坐標(biāo)變換39-41
• 2.3 六自由度相對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償原理41-45
• 2.3.1 位移補(bǔ)償原理41-43
• 2.3.2 速度補(bǔ)償原理43-45
• 2.4 擺動(dòng)抑制原理45-48
• 2.4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)不確定機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)抑制原理46-47
• 2.4.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)確定機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)抑制原理47-48
• 2.5 并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求48-49
• 2.6 本章小結(jié)49-50
• 第三章 基于邊界搜索的力旋量可行工作空間求解50-75
• 3.1 繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程50-52
• 3.2 繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間定義與分類52-53
• 3.3 力旋量可行條件驗(yàn)證53-61
• 3.3.1 力旋量可行條件53-54
• 3.3.2 期望力旋量集的估計(jì)54-55
• 3.3.3 可得力旋量集的特征55-59
• 3.3.4 力旋量可行條件驗(yàn)證步驟59-61
• 3.4 邊界搜索法61-71
• 3.4.1 塊的劃分與搜索63-64
• 3.4.2 深度優(yōu)先搜索算法64-67
• 3.4.3 數(shù)值案例67-70
• 3.4.4 特殊情況70-71
• 3.5 力旋量可行工作空間與構(gòu)型參數(shù)的關(guān)系分析71-73
• 3.6 本章小結(jié)73-75
• 第四章 無奇異的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)75-90
• 4.1 繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異類型與特征75-77
• 4.1.1 根據(jù)速度輸入輸出關(guān)系分類75-76
• 4.1.2 根據(jù)奇異產(chǎn)生的機(jī)理分類76-77
• 4.2 構(gòu)型奇異與位形奇異的消除方法77-81
• 4.2.1 設(shè)計(jì)中避免構(gòu)型奇異的方法77-79
• 4.2.2 驅(qū)動(dòng)冗余消除奇異位形的原理79-81
• 4.3 基于區(qū)間估計(jì)的奇異性驗(yàn)證81-89
• 4.3.1 繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)奇異條件81-82
• 4.3.2 區(qū)間運(yùn)算與區(qū)間估計(jì)82-84
• 4.3.3 基于區(qū)間估計(jì)的奇異性驗(yàn)證方法84-87
• 4.3.4 數(shù)值案例87-89
• 4.4 本章小結(jié)89-90
• 第五章 動(dòng)基座繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)抗擺與振動(dòng)特性研究90-104
• 5.1 動(dòng)基座繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)抗擺特性90-98
• 5.1.1 抗擺工作空間90-93
• 5.1.2 初始繩間力優(yōu)化93-94
• 5.1.3 抗擺能力與構(gòu)型參數(shù)的關(guān)系94-95
• 5.1.4 縮比機(jī)構(gòu)抗擺特性實(shí)驗(yàn)95-98
• 5.2 動(dòng)基座繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)振動(dòng)特性98-103
• 5.2.1 繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)振動(dòng)方程98-100
• 5.2.2 振動(dòng)固有頻率和影響因素100-102
• 5.2.3 避免共振的方法102-103
• 5.3 本章小結(jié)103-104
• 第六章 并聯(lián)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)控制方法104-126
• 6.1 滑�？刂品椒�104-108
• 6.1.1 干擾分離的動(dòng)力學(xué)模型104-106
• 6.1.2 滑�？刂坡�106-108
• 6.2 負(fù)載慣性參數(shù)辨識(shí)108-112
• 6.2.1 動(dòng)力學(xué)方程變換109-110
• 6.2.2 慣性參數(shù)辨識(shí)方法與步驟110-112
• 6.3 基于交互投影的張力分布優(yōu)化算法112-116
• 6.3.1 張力分布優(yōu)化目標(biāo)112-113
• 6.3.2 交互投影與Dykstra算法113-115
• 6.3.3 基于交互投影的張力分布優(yōu)化流程115-116
• 6.4 基于Matlab與Adams的聯(lián)合仿真116-124
• 6.4.1 Adams中的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)仿真模型117-119
• 6.4.2 Matlab與Adams聯(lián)合仿真模型119-120
• 6.4.3 仿真結(jié)果與分析120-124
• 6.5 本章小結(jié)124-126
• 第七章 結(jié)論與展望126-128
• 7.1 研究結(jié)論126-127
• 7.2 研究展望127-128
• 致謝128-130
• 參考文獻(xiàn)130-143
• 作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果143-144
• 附錄A 重要符號(hào)變量說明表144-147

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：979250