液壓驅(qū)動(dòng)六自由度平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)建模與控制.pdf

1、六自由度平臺(tái)自從提出并成功應(yīng)用于輪胎檢測(cè)機(jī)構(gòu)和飛行模擬器以來(lái)，已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的對(duì)偶關(guān)系，六自由度平臺(tái)具有其獨(dú)特的、有別于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)學(xué)、航空、航天、精密加工以及車輛設(shè)備的動(dòng)態(tài)測(cè)試等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此深入研究六自由度平臺(tái)的機(jī)構(gòu)學(xué)理論及其控制策略具有十分重要的意義。另外，六自由度平臺(tái)是通過(guò)實(shí)時(shí)控制六個(gè)線性作動(dòng)器（電液位置伺服系統(tǒng)）的伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此平臺(tái)的整

2、體性能與每個(gè)通道的動(dòng)態(tài)性能休戚相關(guān)。由此深入研究用作六自由度平臺(tái)驅(qū)動(dòng)部件的作動(dòng)器（電液位置伺服系統(tǒng)）的動(dòng)態(tài)特性及其相關(guān)的控制策略進(jìn)而改善系統(tǒng)的性能同樣具有重要的理論和實(shí)踐意義。
　　本文在查閱了大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜述了國(guó)內(nèi)外六自由度平臺(tái)的研究發(fā)展及其應(yīng)用情況，分析了六自由度平臺(tái)系統(tǒng)的特點(diǎn)，闡述了六自由度平臺(tái)的研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展。
　　本文采用坐標(biāo)變換和矩陣分析的方法進(jìn)行了六自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。從能量的角度

3、解析研究了忽略作動(dòng)器整體繞自身軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析的影響，并對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。綜合運(yùn)用Newton-Euler法和Lagrange方法并結(jié)合六自由度平臺(tái)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了考慮13個(gè)剛體動(dòng)力學(xué)特性的六自由度平臺(tái)完整動(dòng)力學(xué)模型，并將其歸結(jié)為機(jī)器人領(lǐng)域常用的緊湊動(dòng)力學(xué)方程形式。為了將所建立的動(dòng)力學(xué)模型用于六自由度平臺(tái)的控制器設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明，給出并證明了六自由度平臺(tái)完整動(dòng)力學(xué)模型的一些物理特征：描述六自由度平臺(tái)動(dòng)力

4、學(xué)模型的系數(shù)矩陣的有界性，由慣量矩陣的時(shí)間導(dǎo)數(shù)與向心和科氏力矩的系數(shù)矩陣所組成的矩陣函數(shù)的斜對(duì)稱性。并給出了六自由度平臺(tái)完整動(dòng)力學(xué)模型的線性參數(shù)化形式。
　　建立了通用的適用于各種類型閥控液壓缸（包括采用對(duì)稱閥和非對(duì)稱閥、對(duì)稱缸和非對(duì)稱缸）的傳遞函數(shù)模型和非線性狀態(tài)方程模型以適應(yīng)不同的應(yīng)用目的，為液壓驅(qū)動(dòng)六自由度平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。闡述了傳遞函數(shù)模型在工程實(shí)踐中的應(yīng)用及應(yīng)注意的問(wèn)題。非線性狀態(tài)方程模型不僅考慮了伺服閥閥口的

5、流量非線性和液壓缸兩腔液容的時(shí)變特性，還可以通過(guò)改變非線性狀態(tài)方程模型中表示閥芯與四個(gè)閥口之間重疊量的參數(shù)的取值，進(jìn)一步對(duì)非理想閥口進(jìn)行研究，把伺服閥的4個(gè)閥口因加工誤差而引起的死區(qū)和開口不一致考慮到非線性狀態(tài)方程模型中，能更客觀、真實(shí)地反映系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)，并且能提供系統(tǒng)中所有狀態(tài)變量的信息，是精確和理想的數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入的理論分析和非線性控制策略研究奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)通過(guò)兩個(gè)實(shí)例的仿真和試驗(yàn)對(duì)比研究驗(yàn)證了所建非線性狀

6、態(tài)方程模型的正確性。
　　根據(jù)基于鉸點(diǎn)坐標(biāo)空間控制器設(shè)計(jì)思想，在閥控液壓缸傳遞函數(shù)模型以及六自由度平臺(tái)相對(duì)單通道電液位置伺服系統(tǒng)的等效負(fù)載特性分析的基礎(chǔ)上，提出了基于滑?？刂频募?jí)聯(lián)控制策略，并對(duì)其進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究。結(jié)果表明該控制策略能較好地補(bǔ)償動(dòng)力機(jī)構(gòu)的非對(duì)稱特性，并可提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和抗干擾能力。由于基于鉸點(diǎn)坐標(biāo)空間的控制并沒有充分地利用六自由度平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型所體現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息。為了在六自由度平臺(tái)的控制器設(shè)計(jì)中充分地利