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六自由度平台运动模拟系统是对飞机、舰船、宇航和车辆设备进行动态研究的重要模拟试验装置,也是飞行员、船员及车辆驾驶员进行模拟训练的有力手段,是典型的人在回路实时仿真系统和虚拟现实的应用实例,具有可控性、无破坏性、经济性、可靠性等优点,现已成为相应领域重要的试验工具。 六自由度运动系统是由数字计算机实时控制平台的6个线性作动器,从而提供6个自由度的动态运动。平台性能与每个通道的性能密切相关,各通道都是典型的电液位置伺服系统,因此深入研究六自由度并联运动系统的电液位置伺服系统以及运动平台的的控制策略进而改善系统的性能具有十分重要的意义。 本文综述了国内外六自由度平台的研究现状及发展趋势,分析了六自由度平台运动系统的特点,阐述了六自由度平台运动系统的关键技术及其研究现状,并对六自由度运动平台的运动学和动力学进行了简要分析。 根据平台结构要求和特点,通常采用非对称缸作为驱动机构。非对称液压缸在换向时液压缸两腔会产生压力突变,使得在对称缸情况下行之有效的动压反馈校正技术在这里往往效果不佳。如果不根本改善阀控非对称缸的压力非线性特性,系统的性能很难达到对称缸的水平,影响系统性能的提高。而且负载变化时,液压缸的压力变化相对较大,对于大功率的运动平台,这种压力波动更加明显,容易产生振动和噪声,会降低平台的寿命和仿真精度。而采用非对阀控液压缸的控制策略能够消除或者缓解压力突变,避免负载变化引起较大的压力变化。本文针对非对称阀控制非对称液压缸的概念进行了深入的分析研究。探讨并重新定义了负载流量和负载压力,不仅符合功率匹配,而且具有明确的实际意义。讨论了阀控液压缸的压力特性,对动力机构的承载能力、输出特性和负载匹配进行了分析。非对称阀控液压缸具有较大的承载能力,相对来说具有更大的承受拉向载荷的能力。在稳态设计点,阀控非对称缸系统能够承受一定的重量载荷,其输出特性能更好的包络运动平台驱动系统的负载轨迹,具有较好的负载匹配。本文给出了非对称阀控缸动力机构负载匹配的设计准则,并指出非对称阀控液压缸是大载荷重量六自由度运动平台驱动系统的最佳选择。 分析了非对称阀控制非对称缸动力机构的最低固有频率,建立了阀控非对称缸动力机构通用的传递函数模型,和传统的成熟的对称阀控对称缸的分析相一致,具有普遍性和统一性,对系统的分析设计具有实际的指导意义。 针对电液伺服系统具有非线性、时变性和外扰影响的特点,本文建立了阀控液压缸电液伺服系统的键合图模型,能够确切地描述系统的参数变化和运动状态,以获得系统在不同运动状态、不同负载工况和各种扰动作用时各主要变量的变化规律,掌握非对称阀控制非对称缸系统静、动态特性的基本特征,为进一步分析研究提供了有力的手段。 本文提出了具有输入信号微分前馈补偿的模糊神经网络PID控制策略,并对其进行了仿真与实验研究。结果证明该控制策略相对于常规PID控制能较好地补偿动力机构的非对称特性,并可提高系统的抗负载干扰能力和系统响应的快速性。 直接测量平台的实际位姿价格昂贵,是不现实的,但可以利用位置正解方法间接获得,从而进行补偿校正。位置正解在线应用的困难在于正解速度的提高和解的唯一性问题,为了降低平台的跟踪误差,本文研究了位置正解补偿策略,对位置正解的数字算法进行了研究和编程实现,精度高、快速性好,而且具有唯一解,能够适用到平台的实际运动控制中。试验和仿真表明,所实现的平台位置正解补偿方法控制效果明显。 作为平台分析设计的辅助手段,本文开发了平台的虚拟现实动画仿真。对六自由度平台机构进行了优化设计,建造了六自由度运动平台,并进行了实验研究。六自由度运动平台的研制是成功的,为六自由度平台的进一步研究奠定了基础。