【摘要】：在航天設(shè)備進(jìn)入外太空?qǐng)?zhí)行在軌任務(wù)之前,科學(xué)且充分的地面模擬實(shí)驗(yàn)必不可少,對(duì)微重力模擬系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為航天技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的重要組成部分。本文采用電-氣聯(lián)合的驅(qū)動(dòng)方式,研究了一種基于半物理仿真技術(shù)的微重力模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開展了系統(tǒng)建模、并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)正解、電-氣聯(lián)合控制方法等關(guān)鍵技術(shù)的研究工作:首先,為了構(gòu)建半物理仿真中必要的數(shù)學(xué)模型,對(duì)微重力模擬平臺(tái)所使用的Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面,重點(diǎn)對(duì)比分析了三種并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)正解的方法,實(shí)現(xiàn)了基于MATLAB的數(shù)值仿真,并且從計(jì)算精度、時(shí)間復(fù)雜度兩個(gè)方面對(duì)三種正解方法進(jìn)行了對(duì)比。使用Eigen開源庫(kù)開發(fā)了算法的C++程序,比較正解算法在C++形式下的運(yùn)算性能,在精度皆滿足要求的前提下,查表法以260.3μs的最短運(yùn)行時(shí)間被建議作為本系統(tǒng)所使用的實(shí)時(shí)正解方案,為提高微重力模擬平臺(tái)性能提供了保證。又使用了Newton-Euler方法對(duì)Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)建了動(dòng)力學(xué)模型,采用SimMechanics工具包進(jìn)行了模型正確性驗(yàn)證,為實(shí)現(xiàn)半物理仿真中的軟件仿真環(huán)節(jié)提供了理論依據(jù)。對(duì)于本文所研究的并聯(lián)平臺(tái)采用六分支電-氣聯(lián)合的驅(qū)動(dòng)方式,圍繞該種驅(qū)動(dòng)形式,對(duì)氣動(dòng)壓力控制系統(tǒng)和電動(dòng)位置控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了控制器的設(shè)計(jì)。使用Shearer方程構(gòu)建了以高速開關(guān)閥為基礎(chǔ)的氣動(dòng)系統(tǒng)模型,針對(duì)永磁同步電機(jī)和滾珠絲杠構(gòu)成的電動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模。針對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)受到氣缸體積變化干擾的問題,采用線性自抗擾控制進(jìn)行壓力跟蹤,相比PID控制縮短了48.8%的調(diào)節(jié)時(shí)間,減少了23%的超調(diào)量,受到干擾之后的收斂速度提高了約一倍。又針對(duì)位置控制中的滯后問題,使用速度前饋的方法對(duì)電動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行位置控制,相比于無速度前饋的三環(huán)控制,精度提高了37.12%。最后,以半物理仿真技術(shù)為核心設(shè)計(jì)了微重力模擬總體控制的流程和思路,并且進(jìn)行了單軸的微重力模擬實(shí)驗(yàn)和平臺(tái)整體的模擬仿真。結(jié)果表明,若忽略氣缸出力中摩擦力的作用,則可以認(rèn)為氣動(dòng)輸出力完全抵消了負(fù)載的重力,很好地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)完成六維地面微重力模擬的目標(biāo)。其次,在保證運(yùn)動(dòng)精度的條件下,氣動(dòng)子系統(tǒng)對(duì)于10kg負(fù)載可以承擔(dān)約85%的靜態(tài)載荷以及約60%的動(dòng)態(tài)載荷,對(duì)于20kg負(fù)載可以承擔(dān)約60%的靜態(tài)載荷以及約50%的動(dòng)態(tài)載荷,因此,電-氣聯(lián)合驅(qū)動(dòng)在驅(qū)動(dòng)能力相同的情況下,相比純電機(jī)驅(qū)動(dòng),可以選用較小規(guī)格的電機(jī),使得基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)器裝備體積小,成本低。
【圖文】：

圖 1. 1 模擬目標(biāo)星捕獲半物理仿真系統(tǒng) 圖 1. 2 空間對(duì)接半物理仿真系統(tǒng)原理圖如圖 1. 1 所示為哈爾濱工業(yè)大學(xué) Yang[7]等人提出的一種用于驗(yàn)證空間機(jī)械臂捕獲目標(biāo)星任務(wù)的三自由度微重力模擬系統(tǒng)，對(duì)由兩個(gè)工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并通過安裝在末端的六自由度力傳感器感知外力，從而補(bǔ)償目標(biāo)星和抓取臂的重力。同課題組 Xie[8]等人針對(duì)該半物理仿真系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析和控制器設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了模擬微重力下的目標(biāo)星抓

圖 1. 1 模擬目標(biāo)星捕獲半物理仿真系統(tǒng) 圖 1. 2 空間對(duì)接半物理仿真系統(tǒng)原理圖如圖 1. 1 所示為哈爾濱工業(yè)大學(xué) Yang[7]等人提出的一種用于驗(yàn)證空間機(jī)械臂捕獲目標(biāo)星任務(wù)的三自由度微重力模擬系統(tǒng)，對(duì)由兩個(gè)工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并通過安裝在末端的六自由度力傳感器感知外力，從而補(bǔ)償目標(biāo)星和抓取臂的重力。同課題組 Xie[8]等人針對(duì)該半物理仿真系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析和控制器設(shè)計(jì)，，最終實(shí)現(xiàn)了模擬微重力下的目標(biāo)星抓
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V416.8

【參考文獻(xiàn)】

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1 薛劍;唐志勇;裴忠才;;6-3 Stewart平臺(tái)位置正解的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化數(shù)值方法[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2014年07期

2 楊書生;鐘宜生;;永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)魯棒控制器設(shè)計(jì)[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2009年03期

3 徐文福;梁斌;李成;劉宇;強(qiáng)文義;;空間機(jī)器人微重力模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究綜述[J];機(jī)器人;2009年01期

4 崔乃剛;王平;郭繼峰;程興;;空間在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展綜述[J];宇航學(xué)報(bào);2007年04期

5 孔祥臻;劉延俊;王勇;蔣守勇;;氣動(dòng)比例控制系統(tǒng)的建模與辨識(shí)[J];機(jī)床與液壓;2006年09期

6 費(fèi)紅姿,楊慶俊,鄭鋼鐵,黃文虎;主動(dòng)隔振中氣動(dòng)壓力跟蹤的預(yù)測(cè)控制研究[J];應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào);2005年01期

7 韓京清;從PID技術(shù)到“自抗擾控制”技術(shù)[J];控制工程;2002年03期

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3 陳三風(fēng);三維氣動(dòng)式微重力環(huán)境模擬平臺(tái)的智能控制系統(tǒng)研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

4 延皓;基于液壓六自由度平臺(tái)的空間對(duì)接半物理仿真系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

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3 楊小龍;基于Stewart機(jī)構(gòu)的隔振技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2014年

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7 岳翠萍;半主動(dòng)微重力地面模擬平臺(tái)高精度控制系統(tǒng)的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

8 徐霞棋;基于DSP的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];上海交通大學(xué);2007年

9 姜飛榮;永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)研究[D];浙江大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2706870