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六自由度隔振平台实验系统主被动耦合减振控制方法研究

钱承  
【摘要】:Stewart六自由度并联平台作为航天器精密测量仪器的减振机构,其减振性能的好坏已成为当前发展航天器在轨测量技术的主要课题。目前,Stewart六自由度并联机构是国内外学者公认最为有效的减振装置,其最突出优点在于具有高刚度,定位准确,承载能力强,动态特性好等。到目前为止,应用于实际的Stewart减振装置为了安全可靠的要求,大部分偏于被动减振控制且取得了不朽的成果,而通过主动控制减振的Stewart平台多年来一直成为国内外研究者探讨和研究的重要课题之一,且已取得一定的成就。为了兼顾可靠性及减振性能,本文设计和优化了Stewart减振机构性能,同时耦合主动减振控制法,采用压电作动器作为主动控制元件应用于Stewart六自由度并联平台,建立主动控制算法对振动的传递进行有效的衰减。本论文以国防武器装备预研重点基金项目“甚高分辨率××减/隔振总体设计方法”(9140A2011QT48)为依托,建立了基于压电作动器作为主动元件的Stewart六自由度减/隔振平台,采用数值仿真优化与实验相结合的方法,通过研究压电作动器迟滞特性并建立相应控制单元的基础上应用于经过优化后的被动Stewart减/隔振平台,并通过每个作动器运行时加速度传感器采集的数据判别控制信号的混沌特性,同时根据混沌特性建立相应的控制规律。本课题研究成果不仅对航天器在轨减振控制具有重要的理论与应用价值,而且对今后更深入的研究具有重要参考价值。本文的主要创新点可以归纳为:(1)针对Stewart六自由度并联减/隔振平台的主动减振元件压电作动器具有的迟滞特性,在Preisach迟滞模型理论基础上分别引入了RBF神经网络法、模糊最小二乘支持向量机法及两者的线性叠加法来计算Preisach迟滞模型加权值,其训练样本来自于FORCs试验曲线并根据传统的Preisach离散迟滞建立法确定初始的迟滞单元加权值作为输出及迟滞单元在α-β平面中电压坐标作为输入,并以此结合二次多项式插值法建立压电迟滞模型,并通过对比分析和仿真验证对迟滞外环和迟滞内环进行误差分析,结果表明了RBF神经网络法与模糊最小二乘支持向量机的线性叠加法具有更高的准确度和精度,表明了该理论模型与压电作动器的实际工作情况吻合较好。(2)针对压电作动器迟滞模型在建模及控制过程中具有的外部不确定性和内部不确定性,引入H∞鲁棒智能控制方法,包括了混合灵敏度的设计及优化问题和加权函数的选取规则。通过建立的压电迟滞模型建立被控对象的数学模型应用于H∞鲁棒智能控制器来确定广义被控对象,采用了混沌优化理论对权函数进行全局优化,最终确定优化后的广义被控对象及H∞鲁棒控制器。应用Simulink软件建立仿真模型,通过对比优化前后的H∞鲁棒控制器及传统的PID控制器得出,基于H∞鲁棒控制理论的仿真模型在初始时刻超调量较小,且振荡不明显,能很快达到稳定;在有噪声输入时,系统的输出量变化平缓,超调量较小,过渡时间也较短,系统可以很快地恢复到稳定值,对于施加的干扰噪声也有很好的抑制作用,试验结果验证了该控制器的有效性。(3)为使Stewart六自由度并联平台能达到优秀的减振性能,针对建立的Stewart六自由度并联平台的动力学和运动学数学模型,建立了系统的弹簧刚度和阻尼系数多目标函数,在设计变量的取值范围内,设定优化的约束条件及相应的权系数,根据设立的条件进行仿真优化,确定了最终的被动减振模型。并以此模型进行了动力学仿真,得到了系统的固有频率和频响特性曲线,也得到了在特定扰动下上端平台的位移情况、速度情况和加速度情况。通过试验对比发现,经过优化后的减/隔振平台具有更优秀的减振性能,有效的衰减了底端平台的振动扰动,为后续的主动控制提供了设计基础,也能保证主动控制失效后具有较好的减振性能。(4)为解决平台的反馈控制问题,利用混沌理论对压电作动器的加速度试验数据进行混沌判别,得到了各个作动器的关联维数及饱和关联维数,且求解加速度时间序列最大Lyapunov指数来验证此时间序列的混沌特性,最后计算了加速度时间序列Kolmogorov熵,辨识了系统的混沌程度。根据结果发现该反馈控制问题为非线性控制问题,为后续控制方法的确立奠定了基础。(5)为快速稳定的对压电作动器进行有效控制,在考虑混沌特性基础上应用了切换控制与RBF神经网络相结合方法,将动力学虚拟样机联合Simulink仿真平台建立两者的联合仿真模型,并以驱动杆负载平台端的加速度信号为参考。对共振频率处压电作动器输出特性进行了仿真分析,结果显示了Stewart六自由度并联平台的主动减振控制能有效地衰减振动幅值。且RCP硬件在环仿真试验结果验证了该减振主动控制方法的有效性。


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