电液驱动3-UPS/S并联稳定平台机构优化及动力学模型研究

摘要

在舰船航行过程中，由于海浪、海风等的持续影响，舰船的姿态不断的发生变化，给舰船载作业设备及工作人员的安全带来了一定的威胁。以隔离舰船扰动为主要任务的稳定平台的研发及使用，大大地提高了设备及人员的安全系数。本课题围绕以水平姿态调整为主的电液驱动3-UPS/S并联稳定平台展开研究，通过搭建平台实验系统，对平台姿态工作空间及跟踪补偿能力进行相关的验证与测试，主要研究内容如下：
　　对并联稳定平台机构进行运动学分析及尺寸优化。针对稳定平台对姿态工作空间的设计要求，提出无奇异且连续的有效姿态工作空间，并以有效姿态工作空间体积作为指标衡量平台规避奇异的能力；为确保各驱动支链运动、力传递性能较优且承载均衡，提出运动学分配性能指标；兼顾稳定平台有效姿态工作空间体积最大和运动学分配性能指标最优，对并联稳定平台的机构尺寸进行优化。
　　建立电液驱动并联稳定平台系统多能域耦合全局动力学模型。基于对多能域动力学建模工具——键合图建模过程的分析，将旋量键合图理论引入空间并联机构的建模中并展开研究，其兼具旋量理论描述空间并联机构简洁、直观及键合图多能域建模统一、规范的特点。利用旋量键合图构建并联稳定平台机构动力学模型；同时通过传统键合图构建液压驱动子系统动力学模型，得到系统多能域全局动力学模型；由全局动力学模型，对平台动力学全解进行求解和验证。
　　基于系统全局动力学模型，采用基于实验的动力学参数辨识方法，对系统中平台惯性参数和驱动关节液压缸摩擦参数进行辨识。利用关键点旋量等效原则和虚功原理构建平台惯性参数辨识模型，以五次多项式改进的傅里叶级数构造激励轨迹方程，并对实验辨识激励轨迹进行优化；分析液压缸摩擦力模型，分离模型中固有的摩擦参数，建立摩擦参数辨识模型，并规划实验辨识激励轨迹。通过辨识实验得到惯性及摩擦参数辨识结果，利用任意轨迹实验对结果进行验证。
　　在上述分析的基础上，利用20-sim软件，建立基于键合图的并联稳定平台系统全局仿真模型，对平台基于液压缸位置小闭环及基于小闭环和姿态大闭环+速度前馈的两种控制策略进行仿真分析，得到具有更高跟踪控制精度的控制策略。搭建跟踪控制实验系统，对平台的姿态工作空间和跟踪补偿性能进行验证和测试。此外，利用无线通信建立移动设备与平台系统的连接，完成平台实时跟踪性能的测试。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2稳定平台发展现状

1.3相关领域研究现状

1.4课题来源与主要研究内容

第2章 并联稳定平台运动学分析与机构优化

2.1引言

2.2并联稳定平台机构组成

2.3并联稳定平台运动学分析

2.4运动学性能指标

2.5并联稳定平台机构优化

2.6本章小结

第3章 并联稳定平台动力学建模

3.1引言

3.2键合图基本概述

3.3旋量键合图

3.4三维运动刚体及运动副旋量键合图

3.5稳定平台机构旋量键合图

3.6稳定平台系统全局动力学模型

3.7本章小结

第4章 并联稳定平台动力学参数辨识

4.1引言

4.2基本动力学参数

4.3关于动力学参数的线性化模型

4.4动力学参数辨识策略

4.5动力学参数辨识实验研究

4.6本章小节

第5章 并联稳定平台系统仿真分析与实验研究

5.1引言

5.2仿真模型

5.3跟踪控制策略

5.4实验研究

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢