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基于电液伺服并联六自由度机构的广义负载模拟理论和实验研究

吴乐彬

  随着国防与航空航天事业的发展,需要能输出多维广义力的加载装置,而现有负载模拟器的研究大多针对单个或多个单通道负载模拟器独立控制的形式,难以满足力/力矩协同输出的要求。本文采用电液伺服并联六自由度机构作为输出广义力的加载机构,并采用Stewart型柔顺机构实现多维缓冲吸振,从原理、优化、特性、控制以及实验等方面进行广义负载模拟器的研究,主要内容如下: 第一章,在查阅国内外相关研究文献的基础上,综述了典型负载模拟器的研究现状,并对比分析了各种多余力问题的解决方案。总结了并联六自由度机构在各个领域的应用,并对相关研究领域的发展现状进行综述。结合负载模拟器与并联机构的特点,对广义负载模拟器的评价指标进行了分析。阐述了本课题的相关研究背景、意义和主要研究内容。 第二章,介绍了广义负载模拟系统的组成,并建立了加载机构和柔顺机构的模型。建立了加载机构的动力学模型,并推导了逆动力学模型作为关节执行器动态特性分析的理论依据。建立了柔顺机构静力学模型,采用全微分法和微元法推导了刚度矩阵元素关于位姿的解析表达式;提出一种基于Newton-Raphson法的数值迭代方法,在已知广义力的情形下求解刚度矩阵,通过仿真校验了算法的实时性和准确性。 第三章,研究了Stewart型柔顺机构的加载工作空间。以加载所需广义力为约束提出了柔顺机构的工作空间指标,并设计了校验流程。以刚度有界、全局稳定和各向同性为目的,基于Rayleigh商分析设计了刚度性能指标。针对刚度矩阵非对角元非零的特点,分析并设计了耦合度评价指标。仿真分析了结构参数变化对两类指标的影响,以此设计了综合刚度性能指标。提出以综合刚度性能最优为目的,采用遗传算法对柔顺机构结构参数进行优化,并得到满意的结果。 第四章,研究了广义情形下电液负载模拟器的动态特性及其影响因素。结合并联机构逆动力学模型与电液伺服阀控缸模型推导出加载机构关节执行器的电液伺服传递函数模型,并指出影响其动态性能的各类因素。提出一种传递函数近似标准化方法,结合频域仿真分析了系统参数大范围时变对动态性能的影响趋势。研究了承载位姿扰动对输出目标量的影响。分别以力和位移为目标量比较分析了影响机理,并指导了消扰策略的设计。分析了各类多通道强耦合的形成机理,结合仿真指出了其耦合特征,为解耦设计提供了理论依据。 第五章,研究了广义负载模拟器的控制策略与算法。提出了一种广义力外环/单缸位移内环的柔顺控制策略,兼具了广义力外环的收敛性和位移内环的抗扰性能。采用承载位姿预测值进行同步补偿的方案以消除其扰动影响,仿真结果表明该方法可使系统近似工作在主动加载状态。基于结构不变性原理设计了前馈解耦补偿网络,并推广至负载力前馈补偿,仿真结果表明该方法有效消除了耦合等因素引起的负载力扰动。针对系统参数大范围非线性时变特征,设计了具备在线学习功能的分级模糊控制系统,采用SFLC调整FPID的输入变量伸缩因子,并设计专家规则根据误差状态量进行在线训练,仿真结果表明各缸位移及广义力误差逐渐收敛于零,且在各类参数大范围时变下控制系统具有良好的鲁棒性。 第六章,搭建了广义负载模拟实验平台,采用计算机分级控制系统建立了硬件在回路仿真系统。应用第五章设计的各种控制策略和算法进行了广义负载模拟的探索性实验,实验结果证明了控制器的合理性与有效性。根据现有实验条件对加载范围、加载精度以及动态性能指标进行了测量。 第七章,总结本论文的主要工作,阐述研究结论和创新点,对广义负载模拟器的后续研究作出了展望。……