柔性支撐Stewart平臺(tái)的分析、優(yōu)化與控制研究.pdf

1、本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金“巨型射電天文望遠(yuǎn)鏡(FAST)總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究”，重點(diǎn)項(xiàng)目，針對(duì)超大型柔索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人難以滿足饋源跟蹤精度要求的難題，探討了六自由度Stewart平臺(tái)作為二級(jí)精調(diào)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)FAST饋源支撐與指向跟蹤系統(tǒng)空間高精度動(dòng)態(tài)定位、指向和軌跡跟蹤的關(guān)鍵性問題。對(duì)Stewart平臺(tái)的機(jī)電綜合伺服帶寬、構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)、軟硬件實(shí)現(xiàn)、機(jī)構(gòu)標(biāo)定和運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了深入研究，通過FAST50m縮尺現(xiàn)場(chǎng)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要工

2、作及創(chuàng)造性成果如下： 1.定義了具有明確物理意義的機(jī)電綜合伺服帶寬，給出了對(duì)Stewart平臺(tái)機(jī)電一體化系統(tǒng)響應(yīng)快速性的評(píng)價(jià)方法。從Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度，分析了決定其伺服帶寬的機(jī)械和控制因素，得出了在選定Stewart平臺(tái)構(gòu)型參數(shù)、驅(qū)動(dòng)支腿的動(dòng)力學(xué)性能和虎克鉸、球鉸的負(fù)載能力的情況下，求解伺服帶寬的通用方法，并進(jìn)行了算例分析。 2.建立了綜合衡量機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能和動(dòng)力學(xué)耦合程度的Stewart

3、平臺(tái)構(gòu)型設(shè)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用實(shí)值編碼的自適應(yīng)遺傳算法，對(duì)Stewart平臺(tái)的優(yōu)化問題進(jìn)行了求解。得到了在滿足靈活工作空間和機(jī)電綜合伺服帶寬的前提下，具有更高靈巧度和更弱動(dòng)力學(xué)耦合作用的設(shè)計(jì)參數(shù)。 3.構(gòu)建了基于SynqNet同步多軸網(wǎng)絡(luò)控制器的Stewart平臺(tái)軟、硬件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了饋源平臺(tái)的典型軌跡動(dòng)態(tài)跟蹤控制。采用具有運(yùn)動(dòng)平滑作用的梯形速度模式進(jìn)行了固定基座Stewart平臺(tái)的典型軌跡規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)，針對(duì)建造的Stewar

4、t平臺(tái)，進(jìn)行了工作空間、靜態(tài)定位精度、動(dòng)態(tài)軌跡跟蹤精度和機(jī)電綜合伺服帶寬的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了Stewart平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性。 4.提出了基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)原理的三維機(jī)動(dòng)目標(biāo)解耦跟蹤預(yù)測(cè)算法，為克服饋源艙在外部擾動(dòng)(風(fēng)荷和動(dòng)力學(xué)耦合)和內(nèi)部攝動(dòng)(柔索系統(tǒng)的柔性、滯后和鉸鏈的摩擦等)作用下的位移響應(yīng)對(duì)饋源平臺(tái)定位指向的影響奠定了基礎(chǔ)。該算法構(gòu)造了具有良性條件數(shù)的虛擬Stewart平臺(tái)，采用非線性跟蹤微分器在其解耦的關(guān)節(jié)空間進(jìn)行支腿

5、長(zhǎng)度的跟蹤預(yù)測(cè)，進(jìn)而通過虛擬Stewart平臺(tái)的位置正解實(shí)現(xiàn)了對(duì)饋源艙運(yùn)動(dòng)位姿的跟蹤預(yù)測(cè)，算例分析證實(shí)了所提出算法的高精度和實(shí)時(shí)性。 5.設(shè)計(jì)了自適應(yīng)交互PID監(jiān)督控制器，解決了柔性支撐Stewart平臺(tái)的控制難題。引入自適應(yīng)交互算法解決了PID參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，用以產(chǎn)生柔性支撐Stewart平臺(tái)的規(guī)劃級(jí)控制量，在電動(dòng)缸執(zhí)行級(jí)采用帶前饋的數(shù)字PID伺服濾波器完成電動(dòng)缸的高精度軌跡跟蹤，改善了饋源艙和Stewart平臺(tái)耦合系統(tǒng)控制過