【摘要】： 隨著半實(shí)物仿真技術(shù)的迅速發(fā)展,運(yùn)動(dòng)模擬器被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、車輛及娛樂等軍用和民用領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)以及駕駛員訓(xùn)練過程中。液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)因其具有剛度大、推重比高及模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于絕大部分運(yùn)動(dòng)模擬器的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。由于液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能直接關(guān)系到運(yùn)動(dòng)模擬的逼真度,而先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)良好動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此,深入地研究液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制策略及其相關(guān)的參數(shù)辨識(shí)方法,以提高液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能具有十分重要的意義。 在查閱大量國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,概述了液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),闡述了國(guó)內(nèi)外液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用與發(fā)展概況,全面綜述了液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀,提出了論文主要研究?jī)?nèi)容。 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是研究液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制策略的重要組成部分。首先,基于考慮液壓缸慣性影響的完整動(dòng)力學(xué)模型,分析了液壓缸慣性以及動(dòng)力學(xué)模型中各項(xiàng)在各種工況下對(duì)驅(qū)動(dòng)分支出力的影響,以簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu);然后對(duì)液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,將液壓缸慣性對(duì)動(dòng)力學(xué)方程的影響等效為上平臺(tái)慣性參數(shù)的變化,建立了以平臺(tái)慣性參數(shù)為變量的線性化動(dòng)力學(xué)方程,為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)參數(shù)辨識(shí)與基于模型的控制策略研究奠定了基礎(chǔ)。 準(zhǔn)確的模型參數(shù)是研究液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制策略的基礎(chǔ)。為了辨識(shí)整個(gè)系統(tǒng)的模型參數(shù),將系統(tǒng)模型分為液壓驅(qū)動(dòng)模型部分和機(jī)械負(fù)載模型部分。為得到液壓驅(qū)動(dòng)模型參數(shù),建立了液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)分支非線性模型的辨識(shí)模型和驗(yàn)證模型,采用遺傳算法作為辨識(shí)方法,獲得了液壓驅(qū)動(dòng)模型參數(shù)并經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所辨識(shí)參數(shù)的正確性;針對(duì)機(jī)械負(fù)載模型部分,提出了采用多步法結(jié)合動(dòng)力學(xué)濾波技術(shù)進(jìn)行慣性參數(shù)辨識(shí),解決了常規(guī)辨識(shí)方法難于辨識(shí)的問題。通過兩部分辨識(shí)得到了整個(gè)液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模型的全部參數(shù),為后續(xù)基于非線性模型的控制器設(shè)計(jì)提供了模型參數(shù)依據(jù)。 作為液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù),本文集中研究了基于關(guān)節(jié)空間和任務(wù)空間的控制策略以解決不同應(yīng)用環(huán)境中的控制問題。首先針對(duì)液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)工作過程中驅(qū)動(dòng)分支參數(shù)攝動(dòng)量大和負(fù)載大范圍變化等問題,基于李雅普諾夫穩(wěn)定性,提出了一種基于關(guān)節(jié)空間非線性模型的反步自適應(yīng)控制策略,該控制策略對(duì)動(dòng)力學(xué)干擾力進(jìn)行了補(bǔ)償,通過引入動(dòng)態(tài)面避免了加速度反饋,仿真結(jié)果表明其有效地抑制了系統(tǒng)參數(shù)大范圍攝動(dòng)、關(guān)節(jié)間的動(dòng)力學(xué)干擾力以及外界干擾的影響,提高了液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制跟蹤性能。其次針對(duì)液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)工作過程中動(dòng)力學(xué)交聯(lián)耦合和參數(shù)不確定性等問題,基于李雅普諾夫穩(wěn)定性,提出了一種基于任務(wù)空間非線性模型的反步自適應(yīng)控制策略,該控制策略基于系統(tǒng)的完整非線性動(dòng)力學(xué)模型,適用于全工作空間,通過引入動(dòng)態(tài)面避免了加速度反饋,仿真結(jié)果表明其有效地抑制了系統(tǒng)參數(shù)不確定性、動(dòng)力學(xué)非線性與自由度間交聯(lián)耦合的影響,改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,提高了系統(tǒng)的跟蹤能力。 最后,對(duì)所研究的內(nèi)容在液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證了理論分析、參數(shù)辨識(shí)以及控制策略的正確性。結(jié)果表明,相比常規(guī)的控制器,所提出的關(guān)節(jié)空間自適應(yīng)控制和任務(wù)空間自適應(yīng)控制策略能更有效地抑制動(dòng)力學(xué)耦合力,提高了六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TH137
【圖文】：

一直是研究的熱點(diǎn)。(3) 結(jié)構(gòu)校準(zhǔn)困難，平臺(tái)誤差源向量的維數(shù)大，導(dǎo)致相應(yīng)的結(jié)構(gòu)校準(zhǔn)算法非常的復(fù)雜，并且，在該算法下如何保證求解精度的問題也是一個(gè)難點(diǎn)之一。(4) 奇異分析困難，由于平臺(tái)的 Jacobian 矩陣非常的復(fù)雜，所以，從它入手來分析奇異的問題是相當(dāng)困難的，而且還存在著驅(qū)動(dòng)桿奇異（串聯(lián)奇異）和平臺(tái)奇異兩種情況。1.2.2 Stewart 平臺(tái)應(yīng)用與國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況1947-1955 年間，英國(guó)人 Gough 為了測(cè)試飛機(jī)輪胎性能設(shè)計(jì)并建造了萬向輪胎測(cè)試機(jī)[4]，誕生了第一臺(tái)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這是現(xiàn)在各種六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的原型，如圖 1-2 所示。1965 年，Stewart 在其著名的論文“A platform withsix degree of freedom”中提出將六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)用作飛行模擬器的設(shè)想[4]，如圖 1-3 所示，從此學(xué)術(shù)界開始對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入和系統(tǒng)地研究，為紀(jì)念 Gough 和 Stewart 的重要影響，稱六自由度平臺(tái)為 Gough-Stewart 平臺(tái)[5]（簡(jiǎn)稱 Stewart 平臺(tái)）。

一直是研究的熱點(diǎn)。(3) 結(jié)構(gòu)校準(zhǔn)困難，平臺(tái)誤差源向量的維數(shù)大，導(dǎo)致相應(yīng)的結(jié)構(gòu)校準(zhǔn)算法非常的復(fù)雜，并且，在該算法下如何保證求解精度的問題也是一個(gè)難點(diǎn)之一。(4) 奇異分析困難，由于平臺(tái)的 Jacobian 矩陣非常的復(fù)雜，所以，從它入手來分析奇異的問題是相當(dāng)困難的，而且還存在著驅(qū)動(dòng)桿奇異（串聯(lián)奇異）和平臺(tái)奇異兩種情況。1.2.2 Stewart 平臺(tái)應(yīng)用與國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況1947-1955 年間，英國(guó)人 Gough 為了測(cè)試飛機(jī)輪胎性能設(shè)計(jì)并建造了萬向輪胎測(cè)試機(jī)[4]，誕生了第一臺(tái)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這是現(xiàn)在各種六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的原型，如圖 1-2 所示。1965 年，Stewart 在其著名的論文“A platform withsix degree of freedom”中提出將六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)用作飛行模擬器的設(shè)想[4]，如圖 1-3 所示，從此學(xué)術(shù)界開始對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入和系統(tǒng)地研究，為紀(jì)念 Gough 和 Stewart 的重要影響，稱六自由度平臺(tái)為 Gough-Stewart 平臺(tái)[5]（簡(jiǎn)稱 Stewart 平臺(tái)）。

及俄羅斯聯(lián)邦(TsAGI)、波蘭(ETC-PZL)以及羅馬尼亞(SIMULTEC)等國(guó)的研發(fā)為主。圖1-4 第一臺(tái)飛行模擬器[6]Fig.1-4 The first flight simulator[6]作為研究型機(jī)構(gòu)，荷蘭的 Delft 大學(xué)在飛行模擬器的研制上也取得了很大的成就，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。圖 1-6 就是 Delft 大學(xué) SIMONA 研究中心在 2002年研制出的世界上最先進(jìn)的飛行模擬器[10]。Stewart 平臺(tái)在軍事方面也得到了應(yīng)用，將坦克或軍艦裝載于該平臺(tái)上，Stewart 平臺(tái)可用來模擬仿真路面譜及海面譜[11~14]，以使其在目標(biāo)的瞄準(zhǔn)射擊過程中不受這些因素影響，圖 1-7 為用于坦克駕駛員訓(xùn)練的六自由度運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)[15]。20 世紀(jì) 80 年代中期，隨著空間交會(huì)對(duì)接(RVD)技術(shù)研究的開展，Stewart平臺(tái)被廣泛應(yīng)用于對(duì)接動(dòng)力學(xué)仿真地面試驗(yàn)系統(tǒng)[16

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2773788