基于電液伺服并聯六自由度機構的廣義負載模擬理論和實驗研究.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，而現有負載模擬器的研究大多針對單個或多個單通道負載模擬器獨立控制的形式，難以滿足力/力矩協同輸出的要求。本文采用電液伺服并聯六自由度機構作為輸出廣義力的加載機構，并采用Stewart型柔順機構實現多維緩沖吸振，從原理、優(yōu)化、特性、控制以及實驗等方面進行廣義負載模擬器的研究，主要內容如下：
　　 第一章，在查閱國內外相關研究文獻的基礎上，綜述了典型負載模擬器的研究現狀，

2、并對比分析了各種多余力問題的解決方案?？偨Y了并聯六自由度機構在各個領域的應用，并對相關研究領域的發(fā)展現狀進行綜述。結合負載模擬器與并聯機構的特點，對廣義負載模擬器的評價指標進行了分析。闡述了本課題的相關研究背景、意義和主要研究內容。
　　 第二章，介紹了廣義負載模擬系統的組成，并建立了加載機構和柔順機構的模型。建立了加載機構的動力學模型，并推導了逆動力學模型作為關節(jié)執(zhí)行器動態(tài)特性分析的理論依據。建立了柔順機構靜力學模型，采用全微

3、分法和微元法推導了剛度矩陣元素關于位姿的解析表達式；提出一種基于Newton-Raphson法的數值迭代方法，在已知廣義力的情形下求解剛度矩陣，通過仿真校驗了算法的實時性和準確性。
　　 第三章，研究了Stewart型柔順機構的加載工作空間。以加載所需廣義力為約束提出了柔順機構的工作空間指標，并設計了校驗流程。以剛度有界、全局穩(wěn)定和各向同性為目的，基于Rayleigh商分析設計了剛度性能指標。針對剛度矩陣非對角元非零的特點，分析

4、并設計了耦合度評價指標。仿真分析了結構參數變化對兩類指標的影響，以此設計了綜合剛度性能指標。提出以綜合剛度性能最優(yōu)為目的，采用遺傳算法對柔順機構結構參數進行優(yōu)化，并得到滿意的結果。
　　 第四章，研究了廣義情形下電液負載模擬器的動態(tài)特性及其影響因素。結合并聯機構逆動力學模型與電液伺服閥控缸模型推導出加載機構關節(jié)執(zhí)行器的電液伺服傳遞函數模型，并指出影響其動態(tài)性能的各類因素。提出一種傳遞函數近似標準化方法，結合頻域仿真分析了系統參數

5、大范圍時變對動態(tài)性能的影響趨勢。研究了承載位姿擾動對輸出目標量的影響。分別以力和位移為目標量比較分析了影響機理，并指導了消擾策略的設計。分析了各類多通道強耦合的形成機理，結合仿真指出了其耦合特征，為解耦設計提供了理論依據。
　　 第五章，研究了廣義負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)的收斂性和位移內環(huán)的抗擾性能。采用承載位姿預測值進行同步補償的方案以消除其擾動影響，仿真結

6、果表明該方法可使系統近似工作在主動加載狀態(tài)?；诮Y構不變性原理設計了前饋解耦補償網絡，并推廣至負載力前饋補償，仿真結果表明該方法有效消除了耦合等因素引起的負載力擾動。針對系統參數大范圍非線性時變特征，設計了具備在線學習功能的分級模糊控制系統，采用SFLC調整FPID的輸入變量伸縮因子，并設計專家規(guī)則根據誤差狀態(tài)量進行在線訓練，仿真結果表明各缸位移及廣義力誤差逐漸收斂于零，且在各類參數大范圍時變下控制系統具有良好的魯棒性。