位姿解耦型五維混聯(lián)隔振平臺(tái)性能分析及半主動(dòng)控制.pdf

1、動(dòng)態(tài)載體在運(yùn)行過程中,由于受到周圍環(huán)境的影響,會(huì)產(chǎn)生升降、縱搖等多維振動(dòng),使載體上的設(shè)備(動(dòng)載設(shè)備)不能正常工作甚至遭到破壞。因此對(duì)動(dòng)載設(shè)備采取必要的減振措施具有重要意義。本文根據(jù)動(dòng)態(tài)載體的普遍振動(dòng)特點(diǎn),提出了一種位姿解耦型五維混聯(lián)半主動(dòng)隔振平臺(tái),并完成了對(duì)隔振平臺(tái)的建模、分析、控制、設(shè)計(jì)制造及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:
　　首先,提出了一種基于新型五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)的半主動(dòng)隔振平臺(tái),建立了平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并對(duì)其

2、運(yùn)動(dòng)學(xué)性能進(jìn)行了分析。根據(jù)動(dòng)載設(shè)備的振動(dòng)特點(diǎn)提出了一種新型的位置與姿態(tài)解耦的五自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)并將它作為隔振平臺(tái)的主體機(jī)構(gòu)。介紹了隔振平臺(tái)的構(gòu)成,求解了平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,并得到了支鏈驅(qū)動(dòng)器與輸出平臺(tái)之間的速度、加速度關(guān)系表達(dá)式。闡述了完全可達(dá)工作空間的概念,采用完全可達(dá)平動(dòng)工作空間和完全可達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)空間對(duì)平臺(tái)的工作空間進(jìn)行了評(píng)價(jià),并通過數(shù)值搜索法進(jìn)行了仿真。采用雅克比矩陣的條件數(shù)評(píng)估了平臺(tái)的靈巧度性能,并研究了靈巧度與機(jī)構(gòu)無量綱參數(shù)之間的關(guān)系

3、?；诼菪碚摰玫搅藱C(jī)構(gòu)的全局剛度矩陣,繪制了機(jī)構(gòu)在受到單位力時(shí)的柔度曲線,并采用最大和最小剛度對(duì)機(jī)構(gòu)在工作空間內(nèi)的剛度性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在剛度建模過程中,提出了廣義約束雅克比矩陣的概念。
　　其次,建立了混聯(lián)隔振平臺(tái)的閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)隔振平臺(tái)的應(yīng)用特點(diǎn),平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型必須同時(shí)包含上平臺(tái)和下平臺(tái)參數(shù),即平臺(tái)的閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型。本文根據(jù)牛頓-歐拉方程建立了系統(tǒng)的完整閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型,但是其模型非常復(fù)雜。為了使動(dòng)力學(xué)模型能夠順利應(yīng)用到

4、平臺(tái)控制系統(tǒng)中,文中通過簡(jiǎn)化得到了平臺(tái)的簡(jiǎn)化閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型,并通過仿真分析了上下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對(duì)各支鏈作用力的影響及簡(jiǎn)化閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型的合理性。
　　然后,研究了混聯(lián)隔振平臺(tái)的振動(dòng)特性,進(jìn)行了響應(yīng)分析,并得到了幾種特殊振動(dòng)情況時(shí)的解析解。將多自由度模態(tài)分析方法應(yīng)用于多維隔振平臺(tái),成功實(shí)現(xiàn)了五維隔振平臺(tái)的解耦分析。以此為基礎(chǔ),得到了平臺(tái)在無阻尼自由振動(dòng)、有阻尼自由振動(dòng)、下平臺(tái)正弦激勵(lì)振動(dòng)以及下平臺(tái)脈沖激勵(lì)振動(dòng)等幾種情況下的響應(yīng)解析表達(dá)式

5、,并通過仿真驗(yàn)證了表達(dá)式的正確性。最后分析了隔振平臺(tái)的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)以及承載質(zhì)量等力學(xué)參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性的影響,并通過仿真對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了選擇。
　　再次,對(duì)混聯(lián)隔振平臺(tái)的半主動(dòng)控制策略進(jìn)行了研究,并提出了一種模糊最優(yōu)控制方法實(shí)現(xiàn)了隔振平臺(tái)的振動(dòng)控制。首先采用H∞狀態(tài)反饋控制策略得到了支鏈阻尼器的最優(yōu)阻尼力,然后根據(jù)支鏈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和基于磁流變阻尼器工作原理的策略得到各個(gè)支鏈阻尼器的實(shí)際輸出力。另外,為了解決磁流變阻尼器動(dòng)力學(xué)模型的

6、高度非線性問題,本文通過基于遺傳算法的模糊模型得到了磁流變阻尼器的輸入電流。且在訓(xùn)練模糊模型的過程中提出了一種可以同時(shí)優(yōu)化模糊模型的輸入變量選擇、規(guī)則選擇以及隸屬度函數(shù)的新的編碼方法。最后通過仿真對(duì)控制策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　最后,進(jìn)行了混聯(lián)隔振平臺(tái)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)隔振理論,采用平臺(tái)工作空間內(nèi)的所有自由度方向上固有頻率和的最大值作為極小化優(yōu)化目標(biāo),對(duì)隔振平臺(tái)樣機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。然后實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的設(shè)計(jì)加工制