船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)及其控制方法研究.pdf

1、隨著船舶工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)艦船研制以及各種船上設(shè)備開(kāi)發(fā)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，對(duì)實(shí)時(shí)模擬船舶運(yùn)動(dòng)的物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行研究是非常必要的。并聯(lián)機(jī)構(gòu)以其特有的大剛度、高精度和高載荷自重比等特點(diǎn)，在機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)模擬器、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本文重點(diǎn)針對(duì)基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)的一些關(guān)鍵技術(shù)以及控制方法等進(jìn)行了深入的研究。 本文首先闡述了船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)有關(guān)概念，針對(duì)求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的數(shù)值法存

2、在著解的精度和收斂問(wèn)題都依賴于迭代初值的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種通用性較強(qiáng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方法，該方法將改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法和Newton-Raphson數(shù)值法相結(jié)合，既解決了數(shù)值法迭代初值較難選取的問(wèn)題，又可以獲得較高的求解精度。 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能有著較大影響，因此，本文采用平均靈巧度作為衡量船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的指標(biāo)，建立了包含各種約束條件的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。同時(shí)，通過(guò)對(duì)全局搜索、局部搜

3、索和信息素更新規(guī)則等環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了更適用于連續(xù)優(yōu)化問(wèn)題求解的改進(jìn)蟻群算法，并采用該算法對(duì)船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化結(jié)果對(duì)比，證明了該算法的有效性，也為解決并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)這一類連續(xù)優(yōu)化問(wèn)題提供了有實(shí)用價(jià)值的參考。 從船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)的支鏈機(jī)構(gòu)分析入手，建立其結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差與輸出位姿誤差之間的關(guān)系，得出包含全部四十二個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差在內(nèi)的誤差正解模型。仿真結(jié)果表明：對(duì)于給定的各結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差，應(yīng)用此模型可直接得

4、出模擬臺(tái)輸出位姿誤差。同時(shí)，對(duì)船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)的精度分析理論進(jìn)行了研究，建立了合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差隨機(jī)抽樣模型，利用蒙特卡洛模擬方法對(duì)位姿誤差的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了仿真分析。 對(duì)船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)的單通道液壓位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并對(duì)所采用的對(duì)稱閥控非對(duì)稱液壓缸的動(dòng)力機(jī)構(gòu)正反向運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓力和跟蹤特性進(jìn)行研究。 提出了船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)的復(fù)合控制方法，采用小腦模型控制器進(jìn)行整個(gè)模擬臺(tái)系統(tǒng)的同步控制，而在單通道液壓

5、系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基于Fuzzy—PID切換和負(fù)載壓力干擾前饋的關(guān)節(jié)空間控制器。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)研究j證明該控制方法既消除了各單通道系統(tǒng)的非對(duì)稱特性、變負(fù)載、外干擾力等不良影響，又提高了多通道執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)同步性、克服了負(fù)載交聯(lián)耦合等影響，使船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)獲得了理想的運(yùn)動(dòng)性能和跟蹤精度。 本文在完成船舶六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)系統(tǒng)總體及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)所提出的基于同步思想的復(fù)合控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)果分析。結(jié)果表明所