輕型飛行模擬器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)先進(jìn)控制技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著民航業(yè)的不斷發(fā)展，飛行培訓(xùn)的需求呈現(xiàn)日益強(qiáng)勁的態(tài)勢(shì)，面對(duì)傳統(tǒng)飛行模擬器高昂的采購(gòu)價(jià)格和使用成本，航空界一直在尋求一種功能與傳統(tǒng)飛行模擬機(jī)相當(dāng)，但購(gòu)置和使用成本低廉的經(jīng)濟(jì)型飛行模擬器。為此，我們提出了“輕型飛行模擬器”的概念，這是一種輕巧緊湊、以軟件代替硬件的低成本模擬器，現(xiàn)在已經(jīng)完成了原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造。高性能的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是這種輕型飛行模擬器系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是能在普通層高的建筑物中進(jìn)行布置，結(jié)構(gòu)

2、簡(jiǎn)單，重量輕；利用電動(dòng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)動(dòng)性能和加速度能力，能適應(yīng)人員和裝備的變化；能對(duì)運(yùn)動(dòng)感覺進(jìn)行高性能的模擬；同時(shí)配備完善的軟件限制保護(hù)措施，使之能進(jìn)行自我保護(hù)，并盡可能的不影響仿真效果或產(chǎn)生仿真中斷。本文針對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的目標(biāo)要求設(shè)計(jì)完成了一個(gè)完整的輕型飛行模擬器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng), 對(duì)并聯(lián)平臺(tái)的建模、模型參數(shù)辨識(shí)、平臺(tái)控制、動(dòng)感模擬算法的設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等一系列問題展開了研究。 本文的第一部分內(nèi)容主要集中于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

3、的建模、辨識(shí)與控制。首先對(duì)三種動(dòng)力學(xué)建模方法進(jìn)行了比較研究，對(duì)比了它們的計(jì)算復(fù)雜度和應(yīng)用場(chǎng)合等并研究了它們之間的等價(jià)關(guān)系。然后提出了使用UKF方法對(duì)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)的方法，可以直接對(duì)非線性模型進(jìn)行處理，而且精度很高。針對(duì)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)存在不確定性參數(shù)和外部擾動(dòng)的情況，本文又提出了一系列自適應(yīng)控制算法保證運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制性能。首先設(shè)計(jì)了自適應(yīng)滑?？刂破鲗⑵脚_(tái)的不確定性分為定常和時(shí)變的進(jìn)行分別處理，然后進(jìn)一步針對(duì)滑?？刂破鞯母咴鲆骓?xiàng)會(huì)引

4、起抖振的問題，又設(shè)計(jì)了基于模糊干擾觀測(cè)器的自適應(yīng)模糊控制器。接下來本文在前面所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊控制器的基礎(chǔ)上將執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)的影響考慮進(jìn)控制算法中，設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自適應(yīng)模糊反步控制算法，可以保證整個(gè)系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定，同時(shí)保持良好的跟蹤性能和抗干擾性能。最后針對(duì)電動(dòng)飛行模擬器并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行器有限的驅(qū)動(dòng)力，提出了一種針對(duì)執(zhí)行器飽和的軌跡跟蹤算法。這種方法結(jié)合使用了實(shí)時(shí)軌跡修正、帶飽和補(bǔ)償?shù)哪：蓴_觀測(cè)器和分支速度觀測(cè)器，使得存在外部干擾

5、和無分支速度測(cè)量情況下，平臺(tái)控制器始終工作在非飽和狀態(tài)，保證了控制器的穩(wěn)定并保持了良好的跟蹤特性。 本文的第二部分內(nèi)容設(shè)計(jì)和優(yōu)化了輕型飛行模擬器的動(dòng)感模擬算法。針對(duì)輕型飛行模擬器的特點(diǎn)選用了經(jīng)典洗出濾波器，然后本文利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可達(dá)工作空間和所需工作空間需相匹配的原理，優(yōu)化了動(dòng)感模擬算法的參數(shù)，以保證能充分利用有限的并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)空間達(dá)到逼真的動(dòng)感模擬效果。 本文的第三個(gè)部分設(shè)計(jì)了輕型飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。在分支關(guān)節(jié)空間

6、設(shè)計(jì)了桿長(zhǎng)限制算法，并針對(duì)任務(wù)空間運(yùn)動(dòng)在緩沖過程中容易發(fā)生錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)這一問題對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)。同時(shí)對(duì)于分支桿與平臺(tái)座艙之間的干涉和關(guān)節(jié)擺角干涉這類問題，又提出了任務(wù)空間的虛擬彈簧干涉緩沖算法，假設(shè)平臺(tái)構(gòu)件表面都覆蓋有虛擬彈簧，一旦構(gòu)件相互接近到一定程度，會(huì)產(chǎn)生虛擬彈簧力對(duì)接近運(yùn)動(dòng)進(jìn)行阻礙。 本文的最后一部分針對(duì)輕型飛行模擬器設(shè)計(jì)了完整的性能測(cè)試的環(huán)境和流程，給出了性能指標(biāo)以及最終的測(cè)試結(jié)果。性能測(cè)試結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有良好的靜態(tài)和