液壓驅(qū)動六自由度平臺的動力學建模與控制.pdf

1、六自由度平臺自從提出并成功應(yīng)用于輪胎檢測機構(gòu)和飛行模擬器以來，已經(jīng)得到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。由于串并聯(lián)機構(gòu)的對偶關(guān)系，六自由度平臺具有其獨特的、有別于串聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點，在工業(yè)機器人、醫(yī)學、航空、航天、精密加工以及車輛設(shè)備的動態(tài)測試等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此深入研究六自由度平臺的機構(gòu)學理論及其控制策略具有十分重要的意義。另外，六自由度平臺是通過實時控制六個線性作動器（電液位置伺服系統(tǒng)）的伸縮運動來實現(xiàn)平臺設(shè)定的運動規(guī)律，因此平臺的整

2、體性能與每個通道的動態(tài)性能休戚相關(guān)。由此深入研究用作六自由度平臺驅(qū)動部件的作動器（電液位置伺服系統(tǒng)）的動態(tài)特性及其相關(guān)的控制策略進而改善系統(tǒng)的性能同樣具有重要的理論和實踐意義。
　　本文在查閱了大量國內(nèi)外相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，綜述了國內(nèi)外六自由度平臺的研究發(fā)展及其應(yīng)用情況，分析了六自由度平臺系統(tǒng)的特點，闡述了六自由度平臺的研究現(xiàn)狀及其進展。
　　本文采用坐標變換和矩陣分析的方法進行了六自由度平臺的運動學和動力學分析。從能量的角度

3、解析研究了忽略作動器整體繞自身軸線的回轉(zhuǎn)運動對運動學及動力學分析的影響，并對其進行了仿真驗證。綜合運用Newton-Euler法和Lagrange方法并結(jié)合六自由度平臺的并聯(lián)結(jié)構(gòu)特點，建立了考慮13個剛體動力學特性的六自由度平臺完整動力學模型，并將其歸結(jié)為機器人領(lǐng)域常用的緊湊動力學方程形式。為了將所建立的動力學模型用于六自由度平臺的控制器設(shè)計以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明，給出并證明了六自由度平臺完整動力學模型的一些物理特征：描述六自由度平臺動力

4、學模型的系數(shù)矩陣的有界性，由慣量矩陣的時間導數(shù)與向心和科氏力矩的系數(shù)矩陣所組成的矩陣函數(shù)的斜對稱性。并給出了六自由度平臺完整動力學模型的線性參數(shù)化形式。
　　建立了通用的適用于各種類型閥控液壓缸（包括采用對稱閥和非對稱閥、對稱缸和非對稱缸）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)動六自由度平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。闡述了傳遞函數(shù)模型在工程實踐中的應(yīng)用及應(yīng)注意的問題。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變特性，還可以通過改變非線性狀態(tài)方程模型中表示閥芯與四個閥口之間重疊量的參數(shù)的取值，進一步對非理想閥口進行研究，把伺服閥的4個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、真實地反映系統(tǒng)的實際工作狀態(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)學模型，為進一步對系統(tǒng)進行深入的理論分析和非線性控制策略研究奠定了基礎(chǔ)。同時通過兩個實例的仿真和試驗對比研究驗證了所建非線性狀

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