基于阻尼影響的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)模態(tài)空間設(shè)計(jì)及控制.pdf

1、六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)以其承載能力強(qiáng)、剛度大、精度高的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中受到廣泛的應(yīng)用。但由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)固有的強(qiáng)非線性動(dòng)力學(xué)特性，使得系統(tǒng)在物理空間內(nèi)各自由度之間存在強(qiáng)耦合特性，這種強(qiáng)耦合特性導(dǎo)致傳統(tǒng)基于物理空間設(shè)計(jì)的控制器很難獲得理想的高控制品質(zhì)。目前國內(nèi)外學(xué)者提出了一種新穎的模態(tài)空間控制策略，在粘性比例阻尼的假設(shè)條件下，基于模態(tài)解耦思想將物理空間內(nèi)強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為模態(tài)空間內(nèi)相互獨(dú)立的單輸入單輸出系統(tǒng)，對(duì)各階模態(tài)單自由度系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立控

2、制最終實(shí)現(xiàn)提升并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制性能、擴(kuò)展系統(tǒng)頻寬的目的。
　　在工業(yè)應(yīng)用中，并聯(lián)機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)阻尼不可忽略，此時(shí)模態(tài)空間出現(xiàn)非粘性比例阻尼耦合現(xiàn)象，破壞了模態(tài)空間的解耦條件，嚴(yán)重制約了模態(tài)空間控制策略的發(fā)展。為此，本文對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)阻尼引起的耦合非線性進(jìn)行深入的機(jī)理分析，提出從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度消除模態(tài)空間阻尼耦合的新思路，擴(kuò)展了模態(tài)空間控制策略的適用范圍，具有十分重要的理論與工程應(yīng)用價(jià)值。本文從慣性參數(shù)辨識(shí)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略三方面進(jìn)行研究

3、。
　　模態(tài)空間控制策略高控制品質(zhì)的發(fā)揮首先受到了系統(tǒng)慣性參數(shù)的影響，而現(xiàn)有的慣性參數(shù)辨識(shí)方法未考慮并聯(lián)機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)阻尼引起的耦合非線性，在辨識(shí)原理上存在缺陷。為此，本文提出一種消除阻尼耦合特性影響的慣性參數(shù)辨識(shí)方法。在建立考慮各關(guān)節(jié)阻尼特性的完整動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，分析阻尼耦合與慣性參數(shù)辨識(shí)之間的關(guān)系，通過重新構(gòu)造包含阻尼耦合引起的各自由度相位差信息的辨識(shí)方程，從機(jī)理上消除阻尼耦合引起的慣性參數(shù)辨識(shí)誤差。同時(shí)，針對(duì)干摩擦引起的辨識(shí)誤

4、差，給出基于波形失真度的辨識(shí)誤差量化評(píng)價(jià)指標(biāo)及辨識(shí)誤差的修正方法。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該辨識(shí)方法的有效性。
　　基于模態(tài)解耦的設(shè)計(jì)方法則從結(jié)構(gòu)角度提供了一種消除系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合特性的有效途徑，具有機(jī)械解耦性質(zhì)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)為模態(tài)空間控制策略發(fā)揮其優(yōu)越控制品質(zhì)奠定基礎(chǔ)。但現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法忽略了并聯(lián)機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)阻尼引起的模態(tài)阻尼耦合特性，導(dǎo)致其設(shè)計(jì)理論無法有效的對(duì)工業(yè)級(jí)低機(jī)械成本并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行指導(dǎo)。為此，本文在對(duì)包含系統(tǒng)阻尼特性的振動(dòng)方程進(jìn)行模態(tài)分

5、析的基礎(chǔ)上給出模態(tài)參數(shù)的封閉解析解，進(jìn)而揭示模態(tài)阻尼耦合特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，提出通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)降低系統(tǒng)非粘性比例阻尼耦合成分從而使模態(tài)空間控制策略仍然適用的新方法。同時(shí)，針對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在大運(yùn)動(dòng)范圍時(shí)由于位姿引起的模態(tài)頻率耦合特性進(jìn)行分析，基于模態(tài)靈敏度給出全局模態(tài)頻率耦合評(píng)價(jià)指標(biāo)。最后以降低阻尼耦合特性及全局頻率耦合特性為綜合優(yōu)化目標(biāo)，獲得消除阻尼耦合影響的全局模態(tài)解耦結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。
　　最后，在通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)消除模態(tài)阻尼耦合

6、影響之后，本文發(fā)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)阻尼特性引起了新的模態(tài)空間高頻過阻尼現(xiàn)象，限制了系統(tǒng)頻寬的進(jìn)一步提高。為此，本文結(jié)合液壓控制理論，提出一種通過動(dòng)壓反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)阻尼比從而將系統(tǒng)頻寬擴(kuò)展至模態(tài)頻率附近的模態(tài)空間控制策略，并給出控制器的解析設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，為了將模態(tài)空間控制策略應(yīng)用于具有大運(yùn)動(dòng)范圍的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，本文對(duì)位姿引起的模態(tài)耦合特性進(jìn)行研究，基于消除模態(tài)躍遷的模態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)求解算法，將模態(tài)空間控制策略擴(kuò)展形成全局模態(tài)空間控制器。實(shí)驗(yàn)