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三自由度并联机构分析与控制策略研究

代小林  
【摘要】: 随着我国国防和军事工业的发展,迫切需要打破国外的技术垄断、提高自行武器火控系统测试水准,研制自己的自行武器火控系统实车道路模拟设备提到日程上来。本文以哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所承接的科研项目“自行武器动态试验模拟设备”为背景,对三自由度并联机构的运动学、动力学、精度及控制策略进行理论分析和实验研究。 三自由度并联机构是典型Stewart并联机构的变体,它用三条作动器和三条支撑杆代替Stewart并联机构中的六条作动器来实现三个自由度的旋转运动。先建立三条支撑杆的约束方程,推导出运动学反解的解析解,然后在参考Stewart机构正解算法的基础上给出三自由度并联机构的运动学正解算法。针对该并联机构的支撑杆约束方程和结构特点,提出该机构特有的一种收敛快、精度高的运动学正解算法。利用运动学反解和正解算法,对三自由度并联机构的工作空间和附加平动等进行研究,全面揭示该并联机构的运动学特性。 在动力学研究中,先将三自由度并联机构简化成单刚体,采用牛顿-欧拉方程对系统进行动力学建模,利用所建的动力学模型对该机构在典型运动下支撑杆和作动器的受力进行分析。将并联机构的作动器和支撑杆等效成弹簧,推导系统的广义刚度矩阵,根据凯恩方程原理对支撑杆和作动器的惯性进行建模,进而推导出三自由度并联机构的的广义质量矩阵和固有频率方程,并对该机构的固有频率特性进行研究,为分析该三自由度并联机构的动态特性特供了依据。 在精度研究中,将三自由度并联机构的制造、装配以及作动器的控制误差归纳成42个误差源,根据运动学反解方程建立系统的误差模型,并对系统的误差分布规律进行仿真分析。为提高三自由度并联机构的静态精度,提出了一种精度综合的方法。该方法先用灵敏度来描述各项误差对系统精度的影响,根据灵敏度的大小将误差源的允许公差分为两个等级,通过逐步提高各误差源的精度等级的方法使系统的精度满足要求。以上研究提高系统的精度提供了重要的参考依据。 在控制策略研究中先给出作动器的数学模型,并据此对三自由度并联机构铰点空间PID控制、动压反馈及前馈等控制策略进行研究。为提高三自由度并联机构的姿态复现精度,提出了一种基于运动学正解的迭代补偿控制方法。该方法先辨识出三自由度并联机构的传递函数矩阵并求出传递函数矩阵的逆,试验中利用运动学正解计算出系统的姿态信号,然后根据系统的姿态偏差信号和传递函数矩阵的逆来修正系统的姿态驱动指令,通过多次迭代使系统的姿态复现精度满足要求。试验表明采用迭代补偿控制,三自由度并联机构的姿态复现精度提高到了5%,从而验证了该控制策略的有效性。


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