六自由度平臺(tái)閥控缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析及控制策略研究.pdf

1、六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)是對(duì)飛機(jī)、艦船、宇航和車輛設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究的重要模擬試驗(yàn)裝置，也是飛行員、船員及車輛駕駛員進(jìn)行模擬訓(xùn)練的有力手段，是典型的人在回路實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用實(shí)例，具有可控性、無破壞性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為相應(yīng)領(lǐng)域重要的試驗(yàn)工具。
　　六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制平臺(tái)的6個(gè)線性作動(dòng)器，從而提供6個(gè)自由度的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)性能與每個(gè)通道的性能密切相關(guān)，各通道都是典型的電液位置伺服系統(tǒng)，因此深

2、入研究六自由度并聯(lián)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的電液位置伺服系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的的控制策略進(jìn)而改善系統(tǒng)的性能具有十分重要的意義。
　　本文綜述了國內(nèi)外六自由度平臺(tái)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，分析了六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，闡述了六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀，并對(duì)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了簡要分析。
　　根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)要求和特點(diǎn)，通常采用非對(duì)稱缸作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。非對(duì)稱液壓缸在換向時(shí)液壓缸兩腔會(huì)產(chǎn)生壓力突變，使得在對(duì)稱缸情況下行之有

3、效的動(dòng)壓反饋校正技術(shù)在這里往往效果不佳。如果不根本改善閥控非對(duì)稱缸的壓力非線性特性，系統(tǒng)的性能很難達(dá)到對(duì)稱缸的水平，影響系統(tǒng)性能的提高。而且負(fù)載變化時(shí)，液壓缸的壓力變化相對(duì)較大，對(duì)于大功率的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，這種壓力波動(dòng)更加明顯，容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，會(huì)降低平臺(tái)的壽命和仿真精度。而采用非對(duì)閥控液壓缸的控制策略能夠消除或者緩解壓力突變，避免負(fù)載變化引起較大的壓力變化。本文針對(duì)非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱液壓缸的概念進(jìn)行了深入的分析研究。探討并重新定義了負(fù)載流

4、量和負(fù)載壓力，不僅符合功率匹配，而且具有明確的實(shí)際意義。討論了閥控液壓缸的壓力特性，對(duì)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的承載能力、輸出特性和負(fù)載匹配進(jìn)行了分析。非對(duì)稱閥控液壓缸具有較大的承載能力，相對(duì)來說具有更大的承受拉向載荷的能力。在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)點(diǎn)，閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)能夠承受一定的重量載荷，其輸出特性能更好的包絡(luò)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載軌跡，具有較好的負(fù)載匹配。本文給出了非對(duì)稱閥控缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)負(fù)載匹配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并指出非對(duì)稱閥控液壓缸是大載荷重量六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)系

5、統(tǒng)的最佳選擇。
　　分析了非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)的最低固有頻率，建立了閥控非對(duì)稱缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)通用的傳遞函數(shù)模型，和傳統(tǒng)的成熟的對(duì)稱閥控對(duì)稱缸的分析相一致，具有普遍性和統(tǒng)一性，對(duì)系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。
　　針對(duì)電液伺服系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性和外擾影響的特點(diǎn)，本文建立了閥控液壓缸電液伺服系統(tǒng)的鍵合圖模型，能夠確切地描述系統(tǒng)的參數(shù)變化和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以獲得系統(tǒng)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、不同負(fù)載工況和各種擾動(dòng)作用時(shí)各主要變量的變化

6、規(guī)律，掌握非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱缸系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性的基本特征，為進(jìn)一步分析研究提供了有力的手段。
　　本文提出了具有輸入信號(hào)微分前饋補(bǔ)償?shù)哪：窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略，并對(duì)其進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果證明該控制策略相對(duì)于常規(guī)PID控制能較好地補(bǔ)償動(dòng)力機(jī)構(gòu)的非對(duì)稱特性，并可提高系統(tǒng)的抗負(fù)載干擾能力和系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。
　　直接測量平臺(tái)的實(shí)際位姿價(jià)格昂貴，是不現(xiàn)實(shí)的，但可以利用位置正解方法間接獲得，從而進(jìn)行補(bǔ)償校正。位置正解在線應(yīng)用的

7、困難在于正解速度的提高和解的唯一性問題，為了降低平臺(tái)的跟蹤誤差，本文研究了位置正解補(bǔ)償策略，對(duì)位置正解的數(shù)字算法進(jìn)行了研究和編程實(shí)現(xiàn)，精度高、快速性好，而且具有唯一解，能夠適用到平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制中。試驗(yàn)和仿真表明，所實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)位置正解補(bǔ)償方法控制效果明顯。
　　作為平臺(tái)分析設(shè)計(jì)的輔助手段，本文開發(fā)了平臺(tái)的虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫仿真。對(duì)六自由度平臺(tái)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，建造了六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制是成功的，