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《国防科学技术大学》 2007年
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三自由度船舶运动模拟平台及其液压伺服驱动系统的研究

杨军宏  
【摘要】: 基于各种不同的目的,国内外许多公司和研究机构都进行了运动模拟平台的研制,其中大多数采用的都是Stewart并联机构,Stewart并联机构的优点是高刚度、高承载能力和结构简单,缺点是各个作动器之间存在严重的耦合,并且垂荡运动范围由于要小于作动器的运动范围而受到制约。本文结合晕船病研究的需要,设计了一种结构新颖的船舶运动模拟平台,该模拟平台由“剪叉式”结构实现大幅度的垂荡运动模拟,由两个并联的“跷跷板”结构实现纵摇和横摇运动模拟。所设计的船舶运动模拟平台采用高性能的位置跟踪阀控非对称缸系统驱动,高性能的位置跟踪阀控非对称缸系统在现代国防工业和民用工业上也有极大的需求,对其进行深入的研究很有必要。围绕所设计的船舶运动模拟平台及其液压伺服驱动系统,开展了下面一系列的研究工作: 1.对所研制的船舶运动模拟平台进行了运动学分析,给出了运动学正解方程和反解方程。采用达朗贝尔原理,推导机构的动力学方程。在动力学分析中,提出了直接采用连续坐标旋转变换方法获得纵摇横摇伺服缸的姿态角速度与角加速度的简单方法;提出了把纵摇横摇机构及上层平台上的负载这个整体当作垂荡机构的一个动态负载来考虑,从而简化了垂荡机构的动力学分析过程。最后进行了运动学和动力学仿真,仿真结果表明纵摇横摇机构中两液压缸的耦合程度很小,垂荡机构的运动放大系数约为2。 2.推导了阀控非对称缸系统正反向统一的非线性模型,仿真和实验的对比结果表明了模型的准确性;针对目前各种文献关于非对称缸系统负载压力与负载流量定义的混乱,给出了负载压力与负载流量的定义应该遵循的原则,利用所定义的负载压力和负载流量,通过泰勒展开近似方法建立了阀控非对称缸系统的局部线性化模型;通过非线性状态反馈变换,实现了非线性模型的全局线性化,并对全局线性化模型的内部状态变量的零动态稳定性进行了分析;利用所建立的非线性状态空间模型,仿真分析了某些非线性环节对系统性能的影响。 3.利用分岔理论,形象描述和分析了各种不确定因素对系统稳定性的影响过程,得出了一些对系统稳定性设计有用的结论,如:同等程度参数的变化对液压缸正向运动时稳定性的影响比对反向运动时稳定性的影响要大;进油管道越长,系统的稳定性越差,当管道长度超过某一值之后系统稳定性进一步变差的程度非常小;进油管道直径越大,系统稳定性越好,当进油管道直径超过某一值之后系统稳定性进一步变好的程度非常小;液压油弹性模量的降低会使系统稳定性变差。最后还给出了有关的参数稳定域。 4.详细分析和总结了目前国内外关于定量反馈控制(QFT)的文献中确定不确定性模型的过程,在此基础上,提出了四种获得系统不确定模型的方法,分别指出了这四种方法的优缺点;设计了OFT位置跟踪鲁棒控制器,在发现跟踪曲线相位误差较大的情况下,直接采用零相差跟踪控制器代替前置滤波器,并设计了零相移低通滤波器来抑制零相差跟踪控制器的高频增益;针对阀控非对称缸系统中存在的饱和非线性,利用改进型饱和非线性补偿控制器来进行抑制,在设计过程中利用等效传递函数来简化控制器的结构。然后在所研制的船舶运动模拟平台样机上,对控制器设计过程中的各个环节进行了试验,并与自学习滑模模糊控制进行了对比试验研究。实验结果表明,在相同的负载干扰下,所设计的基于OFT的高精度位置跟踪鲁棒控制器具有更高的控制精度。最后还进行了晕船病运动环境模拟试验,试验结果表明,所研制的船舶运动模拟平台样机能够满足晕船病研究的需要。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TH137

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【引证文献】
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1 徐海军;液压驱动波动鳍仿生推进器关键技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
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4 李伟;船舶液压稳定平台的设计与分析[D];大连海事大学;2010年
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6 柳丽川;船舶姿态运动控制平台设计—海浪层设计[D];大连海事大学;2012年
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【参考文献】
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【共引文献】
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4 郑继明;蒲兴成;;一类金融系统的混沌性与控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
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10 孙衢;王永玉;;基于云模型的非线性系统智能滑模控制[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
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2 王龙;喻俊志;胡永辉;范瑞峰;霍继延;谢广明;;机器海豚的机构设计与运动控制[J];北京大学学报(自然科学版);2006年03期
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10 周结华;彭侠夫;仲训昱;;六轴船摇模拟转台及其方位稳定跟踪模型[J];船舶工程;2011年02期
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1 王丽丽;低速域船舶运动仿真平台的设计[D];大连海事大学;2011年
2 衣鹏飞;船舶动力定位位置参考系统信息融合方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
3 于成;综合船舶信息处理与显示系统[D];大连海事大学;2000年
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5 熊邺;电磁场数值计算中的内插和外推[D];南京理工大学;2003年
6 张仁彦;船舶运动半物理仿真系统[D];哈尔滨工程大学;2003年
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【二级参考文献】
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8 柳明,吴捷;微扰电力系统中的次谐及混沌轨道[J];电力系统自动化;2002年15期
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