外文翻譯--并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)態(tài)前饋控制 中文版【優(yōu)秀】

1、<p>　　原文標(biāo)題：Dynamic feed-forward control of a parallel kinematic machine </p><p>　　并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)態(tài)前饋控制</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文討論了6 - UPS并聯(lián)機(jī)床（ PKM）的動(dòng)態(tài)前饋控制。該控制系統(tǒng)是由閉環(huán)控制子

2、系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)組成的。通過(guò)使用PD控制和低通濾波器構(gòu)成閉環(huán)控制子系統(tǒng)。此外，閉環(huán)控制子系統(tǒng)安裝了零相位誤差跟蹤控制（ ZPETC ），以改善其響應(yīng)能力。基于并聯(lián)機(jī)床的剛體動(dòng)力學(xué)模型，動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算力矩控制和前饋控制來(lái)控制的。由于零相位誤差跟蹤控制和PD控制消除了閉環(huán)控制子系統(tǒng)的相位滯后問(wèn)題，因此閉環(huán)控制子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度有了很大的改善。由于引進(jìn)了剛體動(dòng)力學(xué)模型到控制系統(tǒng)，并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性在運(yùn)動(dòng)精度方面的影響才降低了。因此

3、，該移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度有了很大的提高。</p><p>　　2008年埃爾塞維爾有限公司，保留所有權(quán)利。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)前饋控制、并聯(lián)機(jī)床、閉環(huán)控制子系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)</p><p><b>　　1.導(dǎo)言</b></p><p>　　由于其精度，剛度和動(dòng)態(tài)性，并聯(lián)操縱器越來(lái)越感興趣于機(jī)器工具和機(jī)器

4、人領(lǐng)域?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了大量的并聯(lián)操縱器在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的研究[ 1-3 ] ，但在控制方面的研究相對(duì)較少。對(duì)于高度非線性和耦合動(dòng)態(tài)特性的并聯(lián)機(jī)床，純線性控制器沒(méi)有達(dá)到理想的結(jié)果。例如，奧尼格 等 [ 4 ]指出，對(duì)于并聯(lián)機(jī)床的六向偏移問(wèn)題 ，簡(jiǎn)單的線性聯(lián)合控制器領(lǐng)域的循環(huán)誤差會(huì)隨著速度的增長(zhǎng)而迅速增加，即使在非常低的速度時(shí)，他們有很好的準(zhǔn)確性。</p><p>　　為了最大限度的發(fā)揮并聯(lián)機(jī)床系列在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的

5、性能，基于模型的控制[ 5,6 ]是必要的和有效的。并聯(lián)機(jī)床系列的動(dòng)態(tài)特性在運(yùn)動(dòng)精度上起著很重要的影響，特別是在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)。大家公認(rèn)[ 7,8 ] 基于動(dòng)態(tài)模型的控制系統(tǒng)對(duì)降低動(dòng)態(tài)特性在運(yùn)動(dòng)精度方面的影響是有效的，通過(guò)把非線性動(dòng)態(tài)融入到控制設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了基于模型的控制，這種控制方法是計(jì)算密集型。但是，這種情況下需要良好的跟蹤精度。通過(guò)擴(kuò)大非線性的基于模型的控制器來(lái)反饋信息，包括并聯(lián)機(jī)床模型的撓性和紛亂，針對(duì)這些不良影響，高強(qiáng)度是可以接受的

6、。基于模型的控制可用于設(shè)計(jì)雙反饋和前饋的控制的法則。然而，在并聯(lián)機(jī)床系列的基于模型控制的研究還是不夠的，并且只有少數(shù)的研究可以得到理想的結(jié)果。雖然基于模型的控制為并聯(lián)機(jī)床系列獲得更好的運(yùn)動(dòng)精度提供了可能性，但是為了讓這種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，仍然有很多工作要做。</p><p>　　通常，通過(guò)使用動(dòng)態(tài)前饋控制來(lái)實(shí)現(xiàn)基于模型的控制。在動(dòng)態(tài)前饋控制中，每個(gè)并聯(lián)機(jī)床的環(huán)節(jié)被看作是一個(gè)獨(dú)立的控制對(duì)象，基于每個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)模型都設(shè)

7、計(jì)了控制系統(tǒng)。而且，前饋補(bǔ)償器被添加到每個(gè)環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)中，以補(bǔ)償每個(gè)環(huán)節(jié)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。每個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)都是由閉環(huán)控制子系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)組成的。閉環(huán)控制子系統(tǒng)控制伺服系統(tǒng)的動(dòng)作?；诓⒙?lián)機(jī)床的剛體動(dòng)力學(xué)模型，該動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)為并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性提供補(bǔ)償。雖然動(dòng)態(tài)前饋控制增加了一些獨(dú)立的控制系統(tǒng)，但它依然有自己的優(yōu)勢(shì)：（ 1 ）閉環(huán)控制子系統(tǒng)的抗干擾能力可以用來(lái)減少不準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型的運(yùn)動(dòng)精度的影響；（ 2 ）動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)和閉

8、環(huán)控制子系統(tǒng)可被視為獨(dú)立的系統(tǒng)，例如，他們可以獨(dú)立設(shè)計(jì)。因此，動(dòng)態(tài)前饋控制廣泛應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)床系列的運(yùn)動(dòng)控制中[9–12]。</p><p>　　許多控制方法已被用于設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)。通過(guò)并聯(lián)機(jī)床的剛體動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算控制扭矩，動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性的前饋補(bǔ)償。一些研究人員[13-15]通過(guò)使用計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)矩控制或合并計(jì)算力矩控制與其他控制方法設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)[16-18]。計(jì)算力矩控制的這種方法也

9、就是嚴(yán)格的基于數(shù)學(xué)模型來(lái)設(shè)計(jì)控制器。因此，對(duì)于計(jì)算力矩控制，一個(gè)準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型是不可缺少的。然而，獲得一個(gè)并聯(lián)機(jī)床的準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是很困難的。為了提高動(dòng)態(tài)模型的精度，計(jì)算力矩控制器可以與學(xué)術(shù)運(yùn)算法則相結(jié)合。因此，動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)具有能力去實(shí)時(shí)修改動(dòng)態(tài)模型。耿和海恩斯[ 16 ]引進(jìn)了小腦模型算術(shù)計(jì)算機(jī)（CMAC）到動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)中。但是，學(xué)術(shù)運(yùn)算法則是非常復(fù)雜，以至于控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能受到影響。此外，一些研究人員把自適應(yīng)控制方法與計(jì)算力矩

10、控制相結(jié)合。通過(guò)確定的動(dòng)態(tài)參數(shù)在線對(duì)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行修改。然而，動(dòng)態(tài)參數(shù)是如此多以至于控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能繁瑣并且控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。為了克服這些問(wèn)題， 奧尼格等 [ 17 ]首先研究一個(gè)并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)?；谧钚〉母櫿`差，非線性自適應(yīng)控制算法被用來(lái)確定動(dòng)態(tài)參數(shù)。于是，他們通過(guò)摩擦系</p><p>　　雖然有許多不同的控制方法已被使用，但是在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，他們的的運(yùn)動(dòng)精度并不理想。只有少數(shù)的研究可以得到令人滿

11、意的結(jié)果。成功的因素是更準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型和直線電機(jī)的高反應(yīng)能力被引進(jìn)了控制系統(tǒng)。這意味著具有高反應(yīng)能力的準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型和控制系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)并聯(lián)機(jī)床的高精密運(yùn)動(dòng)是有幫助的。</p><p>　　在本文中，基于并聯(lián)機(jī)床6 - UPS的斯圖爾特平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型的（ XNZ63 PKM） 在文獻(xiàn)[ 20 ] 中，在實(shí)時(shí)控制方面，其被簡(jiǎn)化了。分別的在并聯(lián)機(jī)床XNZ63的動(dòng)態(tài)前饋控制進(jìn)行了調(diào)查，在閉環(huán)控制子系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)

12、進(jìn)行了設(shè)計(jì)，閉環(huán)控制子系統(tǒng)是通過(guò)使用零相位誤差跟蹤控制 [ 21 ] ，PD控制和低通濾波器來(lái)控制。動(dòng)態(tài)控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是采用計(jì)算力矩控制和前饋控制。通過(guò)零相位誤差跟蹤控制 ，閉環(huán)控制子系統(tǒng)的相位滯后幾乎消除了，并且并聯(lián)機(jī)床XNZ63的運(yùn)動(dòng)精度有了很大程度上的改善。由于引進(jìn)更準(zhǔn)確的剛體動(dòng)力學(xué)模型到控制系統(tǒng)中，并聯(lián)機(jī)床XNZ63的動(dòng)態(tài)特性在運(yùn)動(dòng)精度方面的影響下降了。</p><p>　　2 .實(shí)時(shí)控制的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模

13、型</p><p>　　公認(rèn)是，在高速環(huán)境下，該基于動(dòng)態(tài)模型的控制系統(tǒng)應(yīng)該被用于并聯(lián)機(jī)床系列。動(dòng)態(tài)模型的精確性影響了控制的準(zhǔn)確性。然而，獲得并聯(lián)機(jī)床的準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型是非常困難的。原因是（ 1 ）在建模時(shí)， 某些因素被忽視或難以進(jìn)行計(jì)算，如結(jié)合間隙；（ 2 ）難以獲取準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)參數(shù)，即使動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)了。</p><p>　　此外，并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)態(tài)是非線性的并且彼此是有聯(lián)系的。

14、解決逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題需要很長(zhǎng)時(shí)間，并且不能滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。把動(dòng)態(tài)模型應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)床的控制中，逆動(dòng)力學(xué)的計(jì)算效率應(yīng)予以改善。因此，動(dòng)態(tài)模型被簡(jiǎn)化了，以滿足實(shí)時(shí)性應(yīng)用要求。由參 [ 4,13,14 ]。人們可以看到，如果一個(gè)更加簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)模型被應(yīng)用了 ，一個(gè)理想的運(yùn)動(dòng)精度就可獲得。在本文中，更準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型被用于了控制系統(tǒng)中。預(yù)計(jì)能獲得良好的運(yùn)動(dòng)精度。</p><p>　　在文獻(xiàn)中[ 20 ] ，分別在恒定速度

15、運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)控制和移動(dòng)平臺(tái)的加速/減速運(yùn)動(dòng)中提出了并聯(lián)機(jī)床XNZ63的動(dòng)力學(xué)模型的簡(jiǎn)化方法。在本文中，我們舉直接簡(jiǎn)化的結(jié)果。在動(dòng)態(tài)模型中，A1Gp, A2FpI1, A2FpI2,A2FpI3, A3MpI1 和 A3MpI2分別是移動(dòng)平臺(tái)的重力，慣性力， 切向慣性力，規(guī)范的慣性力，切向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；A4Gu, A5FuI1, A5FuI2, A6MuI1 和 A6MuI2分別是臂的上部分重力，切向慣性力，規(guī)范的慣性力，切向轉(zhuǎn)動(dòng)

16、慣量，常規(guī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；A7Gd, A8FdI1, A8FdI2, A8FdI3, A8FdI4, A9MdI1 和 A9MdI2分別是臂的下部分的重力，慣性力滑動(dòng)，切向慣性力，規(guī)范的慣性力，科氏慣性力，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和常規(guī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。</p><p>　　F= A1Gp+A2FpI1+A2FpI2+A2FpI3+A3MpI1+A3MpI2</p><p>　　+A4Gu+A5FuI1+A5FuI2+

17、A6MuI1 +A6MuI2 +A7Gd</p><p>　　+A8FdI1+A8FdI2+A8FdI3+A8FdI4+A9MdI1+A9MdI2 (1)</p><p>　　其中A1，A2，A3是6*3的矩陣，A4，A5，...，A9是6*18的矩陣，并且A1，A2，…，A9和移動(dòng)平臺(tái)的位置和方向有關(guān)。</p><p>　　恒速

18、移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為低速，中速，和高速三種情況。變速式移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為低加速或低減速，中加速或中減速，和高加速或高減速三種情況。區(qū)分這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判據(jù)在文獻(xiàn)[ 20 ] 中給出了。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)以恒定速度動(dòng)作時(shí)，低速情況的 動(dòng)態(tài)模型可以簡(jiǎn)化為：</p><p>　　F= A1Gp+ A4Gu+ A7Gd (2)</p>

19、;<p>　　在中等速度情況下，動(dòng)態(tài)模型簡(jiǎn)化為：</p><p>　　F=A1Gp+A2FpI3+A3MpI2 +A4Gu+A6MuI1+A7Gd+A8FdI2 （3）</p><p><b>　　或是</b></p><p>　　F=A1Gp+A2FpI3+A3MpI2+A4Gu+A6MuI1+A7G

20、d+A8FdI4 (4)</p><p>　　在高速情況下， 簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型可以表示為：</p><p>　　F=A1Gp+A2FpI3+A3MpI2+A4Gu+A6MuI1+A7Gd+A8FdI1+A8FdI2+A8FdI4 (5)</p><p>　　當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)以加速或減速運(yùn)動(dòng)時(shí)， 在低加速或減速的情況下的動(dòng)態(tài)模型可簡(jiǎn)化為：