電液伺服并聯(lián)六自由度艦船運(yùn)動(dòng)模擬器軌跡跟蹤控制及其應(yīng)用研究.pdf

1、艦船運(yùn)動(dòng)模擬器以其優(yōu)越的可控性、無破壞性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。電液伺服并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)作為艦船運(yùn)動(dòng)模擬器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有位置精度高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。軌跡跟蹤性能是并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的重要性能指標(biāo)之一，隨著應(yīng)用的需要，人們對軌跡跟蹤性能的要求越來越高。然而，并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)本身是一個(gè)多輸入多輸出強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)，且與電液伺服系統(tǒng)的非線性因素互相耦合，這對電液伺服并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的高精度控制提出了挑戰(zhàn)。另一方面，在艦船運(yùn)

2、動(dòng)模擬器運(yùn)行時(shí)，常常會受到來自外界的不確定干擾，這也給系統(tǒng)的控制帶來了難度。本論文以電液伺服并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)作為研究對象，采取理論分析、建模仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究了不確定干擾下電液伺服并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的軌跡跟蹤控制方法，并將其應(yīng)用到艦船裝備動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬研究中。主要研究內(nèi)容如下：
　　 第一章，介紹了課題來源及背景，在查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹了艦船運(yùn)動(dòng)模擬器的研究情況。對并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的研究情況特別是并聯(lián)六自由度

3、機(jī)構(gòu)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜述，并提出了目前并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)控制需要解決的幾個(gè)問題。根據(jù)課題的研究目標(biāo)，提出了本課題的主要研究內(nèi)容。
　　 第二章，對并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，給出了并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于關(guān)節(jié)力傳感器的并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定方法。仿真和實(shí)驗(yàn)均證明，該方法對并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的精度有明顯的改進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度控制提供了條件。
　　 第三章，對

4、并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)存在的不確定干擾進(jìn)行分析，提出一種利用關(guān)節(jié)力傳感器獲取不確定干擾信息的方法，從而將并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)分解成各自獨(dú)立的關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。給出了關(guān)節(jié)電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)了關(guān)節(jié)魯棒自適應(yīng)控制器。仿真和實(shí)驗(yàn)證明該方法對不確定外干擾具有明顯的抑制作用。
　　 第四章，提出了基于關(guān)節(jié)空間干擾觀測器的并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)級聯(lián)控制方法，將非線性干擾觀測器、滑?？刂破骱图壜?lián)控制方法相結(jié)合用于電液伺服并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的控制。通過利用

5、關(guān)節(jié)干擾觀測器代替關(guān)節(jié)力傳感器以獲取不確定干擾信息，減少了成本。采用級聯(lián)控制方法將液壓驅(qū)動(dòng)器非線性動(dòng)態(tài)引入控制器設(shè)計(jì)?？刂破鳛閮?nèi)環(huán)和外環(huán)級聯(lián)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)采用反饋線性化理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，外環(huán)采用滑?？刂品椒ā７抡婧蛯?shí)驗(yàn)表明，在不額外增加傳感器的情況下，該方法能有效克服外干擾的影響。
　　 第五章，對基于關(guān)節(jié)空間干擾觀測器的并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)協(xié)同控制方法進(jìn)行了研究。定義了并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)同步誤差，并設(shè)計(jì)協(xié)同控制器使得關(guān)節(jié)誤差與同步誤差均漸進(jìn)

6、收斂，從而使得整個(gè)系統(tǒng)各關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。該方法解決了并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)基于關(guān)節(jié)空間控制方法各關(guān)節(jié)控制器無法協(xié)同工作的問題。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，該方法在保證各關(guān)節(jié)控制性能的同時(shí)，能有效提高系統(tǒng)協(xié)同性。
　　 第六章，對并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)基于工作空間的控制方法進(jìn)行了研究。利用并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解作為工作空間的反饋信號設(shè)計(jì)控制器?？紤]到一般滑?？刂坪妥赃m應(yīng)控制的不足，定義綜合干擾概念，并通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)干擾觀測器消除綜合干擾．利用反步法（

7、Backstepping）推導(dǎo)出控制器。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，綜合干擾觀測器能有效補(bǔ)償系統(tǒng)不確定干擾，控制性能較好。
　　 第七章，提出一種頻域/時(shí)域雙環(huán)的并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)多自由度功率譜復(fù)現(xiàn)的方法。此方法分為時(shí)域內(nèi)環(huán)和頻域外環(huán)，其中時(shí)域內(nèi)環(huán)采用本論文前述的電液位置伺服控制方法，頻域外環(huán)將目標(biāo)功率譜信號轉(zhuǎn)換為時(shí)域驅(qū)動(dòng)信號。該方法不需要安裝加速度傳感器，僅利用艦船運(yùn)動(dòng)模擬器本身的關(guān)節(jié)位移傳感器即可進(jìn)行六自由度的功率譜復(fù)現(xiàn)。