基于電液伺服并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的廣義負(fù)載模擬理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著國防與航空航天事業(yè)的發(fā)展，需要能輸出多維廣義力的加載裝置，而現(xiàn)有負(fù)載模擬器的研究大多針對(duì)單個(gè)或多個(gè)單通道負(fù)載模擬器獨(dú)立控制的形式，難以滿足力/力矩協(xié)同輸出的要求。本文采用電液伺服并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)作為輸出廣義力的加載機(jī)構(gòu)，并采用Stewart型柔順機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多維緩沖吸振，從原理、優(yōu)化、特性、控制以及實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行廣義負(fù)載模擬器的研究，主要內(nèi)容如下：
　　 第一章，在查閱國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜述了典型負(fù)載模擬器的研究現(xiàn)狀，

2、并對(duì)比分析了各種多余力問題的解決方案?？偨Y(jié)了并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。結(jié)合負(fù)載模擬器與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)廣義負(fù)載模擬器的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析。闡述了本課題的相關(guān)研究背景、意義和主要研究內(nèi)容。
　　 第二章，介紹了廣義負(fù)載模擬系統(tǒng)的組成，并建立了加載機(jī)構(gòu)和柔順機(jī)構(gòu)的模型。建立了加載機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并推導(dǎo)了逆動(dòng)力學(xué)模型作為關(guān)節(jié)執(zhí)行器動(dòng)態(tài)特性分析的理論依據(jù)。建立了柔順機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型，采用全微

3、分法和微元法推導(dǎo)了剛度矩陣元素關(guān)于位姿的解析表達(dá)式；提出一種基于Newton-Raphson法的數(shù)值迭代方法，在已知廣義力的情形下求解剛度矩陣，通過仿真校驗(yàn)了算法的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。
　　 第三章，研究了Stewart型柔順機(jī)構(gòu)的加載工作空間。以加載所需廣義力為約束提出了柔順機(jī)構(gòu)的工作空間指標(biāo)，并設(shè)計(jì)了校驗(yàn)流程。以剛度有界、全局穩(wěn)定和各向同性為目的，基于Rayleigh商分析設(shè)計(jì)了剛度性能指標(biāo)。針對(duì)剛度矩陣非對(duì)角元非零的特點(diǎn)，分析

4、并設(shè)計(jì)了耦合度評(píng)價(jià)指標(biāo)。仿真分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)兩類指標(biāo)的影響，以此設(shè)計(jì)了綜合剛度性能指標(biāo)。提出以綜合剛度性能最優(yōu)為目的，采用遺傳算法對(duì)柔順機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并得到滿意的結(jié)果。
　　 第四章，研究了廣義情形下電液負(fù)載模擬器的動(dòng)態(tài)特性及其影響因素。結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆動(dòng)力學(xué)模型與電液伺服閥控缸模型推導(dǎo)出加載機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)執(zhí)行器的電液伺服傳遞函數(shù)模型，并指出影響其動(dòng)態(tài)性能的各類因素。提出一種傳遞函數(shù)近似標(biāo)準(zhǔn)化方法，結(jié)合頻域仿真分析了系統(tǒng)參數(shù)

5、大范圍時(shí)變對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響趨勢(shì)。研究了承載位姿擾動(dòng)對(duì)輸出目標(biāo)量的影響。分別以力和位移為目標(biāo)量比較分析了影響機(jī)理，并指導(dǎo)了消擾策略的設(shè)計(jì)。分析了各類多通道強(qiáng)耦合的形成機(jī)理，結(jié)合仿真指出了其耦合特征，為解耦設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　 第五章，研究了廣義負(fù)載模擬器的控制策略與算法。提出了一種廣義力外環(huán)/單缸位移內(nèi)環(huán)的柔順控制策略，兼具了廣義力外環(huán)的收斂性和位移內(nèi)環(huán)的抗擾性能。采用承載位姿預(yù)測(cè)值進(jìn)行同步補(bǔ)償?shù)姆桨敢韵鋽_動(dòng)影響，仿真結(jié)

6、果表明該方法可使系統(tǒng)近似工作在主動(dòng)加載狀態(tài)。基于結(jié)構(gòu)不變性原理設(shè)計(jì)了前饋解耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并推廣至負(fù)載力前饋補(bǔ)償，仿真結(jié)果表明該方法有效消除了耦合等因素引起的負(fù)載力擾動(dòng)。針對(duì)系統(tǒng)參數(shù)大范圍非線性時(shí)變特征，設(shè)計(jì)了具備在線學(xué)習(xí)功能的分級(jí)模糊控制系統(tǒng)，采用SFLC調(diào)整FPID的輸入變量伸縮因子，并設(shè)計(jì)專家規(guī)則根據(jù)誤差狀態(tài)量進(jìn)行在線訓(xùn)練，仿真結(jié)果表明各缸位移及廣義力誤差逐漸收斂于零，且在各類參數(shù)大范圍時(shí)變下控制系統(tǒng)具有良好的魯棒性。