六自由度并联机构模态空间控制策略研究

作     者：龙帅 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：代小林

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：并联机构 参数辨识 递推最小二乘法 模态控制 计算力矩控制 

摘      要：相较于串联机构,并联机构有运动精度高、承载能力强以及动力性能好等优点,常用作各种环境下的运动模拟器、振动器等。但针对液压并联机构而言,由于其结构特性,使得对并联机构的动力学建模较为困难,而且动力学模型的建模精度也受到影响;除此之外,由于并联机构的强耦合特性和非线性动力特性,使得并联机构各自由度之间的运动耦合发生,严重影响了运动模拟精度,甚至可能会造成系统的不稳定。而工业上常用的PID控制虽然能实现对目标位姿的跟踪,但无法实现对并联机构的解耦控制,仍存在较大的运动耦合。基于以上问题,本文对六自由度并联机构进行了相关的研究工作。首先对并联机构进行运动学和动力学分析,通过Newton-Euler方程,建立了动力学方程,并根据流量方程和液压缸的连续方程,推导了液压系统的传递函数。其次,利用matlab强大的仿真工具,运用SimMechanics第二代建模工具对并联机构的机械系统进行建模,以便进行仿真测试。然后,针对动力学方程参数不准确的问题,提出了动力学线性化辨识模型,并用递推最小二乘法推导了辨识过程,在Simulink中搭建了仿真系统,对参数辨识进行预测力矩与实际力矩的验证,完成了动力学参数辨识的工作。因自由度空间控制相比于关节空间控制,有更优的控制效果,故对并联机构自由度空间下进行了PID控制器的设计,观察到各自由度之间的运动耦合现象。针对并联机构运动耦合的现象,利用振动领域的模态理论,各阶模态之间的相互正交的性质,对并联机构运用模态分析,再将参数辨识应用在基于动力学模型控制的并联机构上,得到更准确的模态转换阵。同时提出了基于自由度空间下的模态计算力矩控制方法,并用该控制器,对并联机构各个自由度进行分别控制,观察各自由度的运动效果。最后,将模态控制的运动效果与传统的自由度空间PID控制效果进行对比,定量定性地分析了模态空间下的控制器的跟踪精度和解耦效果,得出了模态控制器对各自由度之间的耦合现象有所抑制的结论。