位姿解耦型五維混聯(lián)隔振平臺性能分析及半主動控制.pdf

1、動態(tài)載體在運行過程中,由于受到周圍環(huán)境的影響,會產(chǎn)生升降、縱搖等多維振動,使載體上的設(shè)備(動載設(shè)備)不能正常工作甚至遭到破壞。因此對動載設(shè)備采取必要的減振措施具有重要意義。本文根據(jù)動態(tài)載體的普遍振動特點,提出了一種位姿解耦型五維混聯(lián)半主動隔振平臺,并完成了對隔振平臺的建模、分析、控制、設(shè)計制造及相關(guān)實驗研究,研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　首先,提出了一種基于新型五自由度混聯(lián)機構(gòu)的半主動隔振平臺,建立了平臺的運動學(xué)模型,并對其

2、運動學(xué)性能進(jìn)行了分析。根據(jù)動載設(shè)備的振動特點提出了一種新型的位置與姿態(tài)解耦的五自由度混聯(lián)機構(gòu)并將它作為隔振平臺的主體機構(gòu)。介紹了隔振平臺的構(gòu)成,求解了平臺的運動學(xué)逆解,并得到了支鏈驅(qū)動器與輸出平臺之間的速度、加速度關(guān)系表達(dá)式。闡述了完全可達(dá)工作空間的概念,采用完全可達(dá)平動工作空間和完全可達(dá)轉(zhuǎn)動空間對平臺的工作空間進(jìn)行了評價,并通過數(shù)值搜索法進(jìn)行了仿真。采用雅克比矩陣的條件數(shù)評估了平臺的靈巧度性能,并研究了靈巧度與機構(gòu)無量綱參數(shù)之間的關(guān)系

3、?；诼菪碚摰玫搅藱C構(gòu)的全局剛度矩陣,繪制了機構(gòu)在受到單位力時的柔度曲線,并采用最大和最小剛度對機構(gòu)在工作空間內(nèi)的剛度性能進(jìn)行了評價。在剛度建模過程中,提出了廣義約束雅克比矩陣的概念。
　　其次,建立了混聯(lián)隔振平臺的閉環(huán)動力學(xué)模型。根據(jù)隔振平臺的應(yīng)用特點,平臺的動力學(xué)模型必須同時包含上平臺和下平臺參數(shù),即平臺的閉環(huán)動力學(xué)模型。本文根據(jù)牛頓-歐拉方程建立了系統(tǒng)的完整閉環(huán)動力學(xué)模型,但是其模型非常復(fù)雜。為了使動力學(xué)模型能夠順利應(yīng)用到

4、平臺控制系統(tǒng)中,文中通過簡化得到了平臺的簡化閉環(huán)動力學(xué)模型,并通過仿真分析了上下平臺的運動對各支鏈作用力的影響及簡化閉環(huán)動力學(xué)模型的合理性。
　　然后,研究了混聯(lián)隔振平臺的振動特性,進(jìn)行了響應(yīng)分析,并得到了幾種特殊振動情況時的解析解。將多自由度模態(tài)分析方法應(yīng)用于多維隔振平臺,成功實現(xiàn)了五維隔振平臺的解耦分析。以此為基礎(chǔ),得到了平臺在無阻尼自由振動、有阻尼自由振動、下平臺正弦激勵振動以及下平臺脈沖激勵振動等幾種情況下的響應(yīng)解析表達(dá)式

5、,并通過仿真驗證了表達(dá)式的正確性。最后分析了隔振平臺的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)以及承載質(zhì)量等力學(xué)參數(shù)對振動特性的影響,并通過仿真對這些參數(shù)進(jìn)行了選擇。
　　再次,對混聯(lián)隔振平臺的半主動控制策略進(jìn)行了研究,并提出了一種模糊最優(yōu)控制方法實現(xiàn)了隔振平臺的振動控制。首先采用H∞狀態(tài)反饋控制策略得到了支鏈阻尼器的最優(yōu)阻尼力,然后根據(jù)支鏈的運動狀態(tài)和基于磁流變阻尼器工作原理的策略得到各個支鏈阻尼器的實際輸出力。另外,為了解決磁流變阻尼器動力學(xué)模型的

6、高度非線性問題,本文通過基于遺傳算法的模糊模型得到了磁流變阻尼器的輸入電流。且在訓(xùn)練模糊模型的過程中提出了一種可以同時優(yōu)化模糊模型的輸入變量選擇、規(guī)則選擇以及隸屬度函數(shù)的新的編碼方法。最后通過仿真對控制策略的有效性進(jìn)行了驗證。
　　最后,進(jìn)行了混聯(lián)隔振平臺的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計及振動控制實驗研究。根據(jù)隔振理論,采用平臺工作空間內(nèi)的所有自由度方向上固有頻率和的最大值作為極小化優(yōu)化目標(biāo),對隔振平臺樣機參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。然后實現(xiàn)了樣機的設(shè)計加工制