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柔性支撑Stewart平台的分析、优化与控制研究

段学超  
【摘要】: 本文依托国家自然科学基金“巨型射电天文望远镜(FAST)总体设计与关键技术研究”重点项目,针对超大型柔索驱动并联机器人难以满足馈源跟踪精度要求的难题,探讨了六自由度Stewart平台作为二级精调稳定机构、实现FAST馈源支撑与指向跟踪系统空间高精度动态定位、指向和轨迹跟踪的关键性问题。对Stewart平台的机电综合伺服带宽、构型优化设计、软硬件实现、机构标定和运动控制进行了深入研究,通过FAST50m缩尺现场模型进行了实验验证。主要工作及创造性成果如下: 1.定义了具有明确物理意义的机电综合伺服带宽,给出了对Stewart平台机电一体化系统响应快速性的评价方法。从Stewart平台机构的运动学和动力学角度,分析了决定其伺服带宽的机械和控制因素,得出了在选定Stewart平台构型参数、驱动支腿的动力学性能和虎克铰、球铰的负载能力的情况下,求解伺服带宽的通用方法,并进行了算例分析。 2.建立了综合衡量机构运动学、动力学性能和动力学耦合程度的Stewart平台构型设计多目标优化模型,采用实值编码的自适应遗传算法,对Stewart平台的优化问题进行了求解。得到了在满足灵活工作空间和机电综合伺服带宽的前提下,具有更高灵巧度和更弱动力学耦合作用的设计参数。 3.构建了基于SynqNet同步多轴网络控制器的Stewart平台软、硬件控制系统,实现了馈源平台的典型轨迹动态跟踪控制。采用具有运动平滑作用的梯形速度模式进行了固定基座Stewart平台的典型轨迹规划与实现,针对建造的Stewart平台,进行了工作空间、静态定位精度、动态轨迹跟踪精度和机电综合伺服带宽的实验研究,验证了Stewart平台优化设计结果的有效性。 4.提出了基于并联机构学原理的三维机动目标解耦跟踪预测算法,为克服馈源舱在外部扰动(风荷和动力学耦合)和内部摄动(柔索系统的柔性、滞后和铰链的摩擦等)作用下的位移响应对馈源平台定位指向的影响奠定了基础。该算法构造了具有良性条件数的虚拟Stewart平台,采用非线性跟踪微分器在其解耦的关节空间进行支腿长度的跟踪预测,进而通过虚拟Stewart平台的位置正解实现了对馈源舱运动位姿的跟踪预测,算例分析证实了所提出算法的高精度和实时性。 5.设计了自适应交互PID监督控制器,解决了柔性支撑Stewart平台的控制难题。引入自适应交互算法解决了PID参数的实时调整,用以产生柔性支撑Stewart平台的规划级控制量,在电动缸执行级采用带前馈的数字PID伺服滤波器完成电动缸的高精度轨迹跟踪,改善了馈源舱和Stewart平台耦合系统控制过程的动态性能。FAST50m模型现场实验表明,结合解耦预测算法对馈源舱的运动预测,自适应交互PID监督控制器效果明显,确保了馈源支撑与指向跟踪系统在以期望的跟踪速度运行时,定位和指向精度完全满足控制要求。


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