柔性支撐Stewart平臺的分析、優(yōu)化與控制研究.pdf

1、本文依托國家自然科學(xué)基金“巨型射電天文望遠(yuǎn)鏡(FAST)總體設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究”，重點項目，針對超大型柔索驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人難以滿足饋源跟蹤精度要求的難題，探討了六自由度Stewart平臺作為二級精調(diào)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、實現(xiàn)FAST饋源支撐與指向跟蹤系統(tǒng)空間高精度動態(tài)定位、指向和軌跡跟蹤的關(guān)鍵性問題。對Stewart平臺的機(jī)電綜合伺服帶寬、構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計、軟硬件實現(xiàn)、機(jī)構(gòu)標(biāo)定和運動控制進(jìn)行了深入研究，通過FAST50m縮尺現(xiàn)場模型進(jìn)行了實驗驗證。主要工

2、作及創(chuàng)造性成果如下： 1.定義了具有明確物理意義的機(jī)電綜合伺服帶寬，給出了對Stewart平臺機(jī)電一體化系統(tǒng)響應(yīng)快速性的評價方法。從Stewart平臺機(jī)構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)角度，分析了決定其伺服帶寬的機(jī)械和控制因素，得出了在選定Stewart平臺構(gòu)型參數(shù)、驅(qū)動支腿的動力學(xué)性能和虎克鉸、球鉸的負(fù)載能力的情況下，求解伺服帶寬的通用方法，并進(jìn)行了算例分析。 2.建立了綜合衡量機(jī)構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)性能和動力學(xué)耦合程度的Stewart

3、平臺構(gòu)型設(shè)計多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用實值編碼的自適應(yīng)遺傳算法，對Stewart平臺的優(yōu)化問題進(jìn)行了求解。得到了在滿足靈活工作空間和機(jī)電綜合伺服帶寬的前提下，具有更高靈巧度和更弱動力學(xué)耦合作用的設(shè)計參數(shù)。 3.構(gòu)建了基于SynqNet同步多軸網(wǎng)絡(luò)控制器的Stewart平臺軟、硬件控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了饋源平臺的典型軌跡動態(tài)跟蹤控制。采用具有運動平滑作用的梯形速度模式進(jìn)行了固定基座Stewart平臺的典型軌跡規(guī)劃與實現(xiàn)，針對建造的Stewar

4、t平臺，進(jìn)行了工作空間、靜態(tài)定位精度、動態(tài)軌跡跟蹤精度和機(jī)電綜合伺服帶寬的實驗研究，驗證了Stewart平臺優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的有效性。 4.提出了基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)原理的三維機(jī)動目標(biāo)解耦跟蹤預(yù)測算法，為克服饋源艙在外部擾動(風(fēng)荷和動力學(xué)耦合)和內(nèi)部攝動(柔索系統(tǒng)的柔性、滯后和鉸鏈的摩擦等)作用下的位移響應(yīng)對饋源平臺定位指向的影響奠定了基礎(chǔ)。該算法構(gòu)造了具有良性條件數(shù)的虛擬Stewart平臺，采用非線性跟蹤微分器在其解耦的關(guān)節(jié)空間進(jìn)行支腿

5、長度的跟蹤預(yù)測，進(jìn)而通過虛擬Stewart平臺的位置正解實現(xiàn)了對饋源艙運動位姿的跟蹤預(yù)測，算例分析證實了所提出算法的高精度和實時性。 5.設(shè)計了自適應(yīng)交互PID監(jiān)督控制器，解決了柔性支撐Stewart平臺的控制難題。引入自適應(yīng)交互算法解決了PID參數(shù)的實時調(diào)整，用以產(chǎn)生柔性支撐Stewart平臺的規(guī)劃級控制量，在電動缸執(zhí)行級采用帶前饋的數(shù)字PID伺服濾波器完成電動缸的高精度軌跡跟蹤，改善了饋源艙和Stewart平臺耦合系統(tǒng)控制過