六自由度摇摆试验台控制系统设计

摘要

六自由度摇摆试验台可以用于车载、船载、机载武器装备的稳定瞄准系统试验，也可是相应车辆驾驶员、船员、飞行员进行模拟训练的有力手段。六自由度摇摆试验台采用Stewart空间并联运动机构，通过改变六个可伸缩的支撑杆的长度来实现平台的运动。本文主要对六自由度摇摆试验台的系统设计、运动学理论、位姿误差及控制方法四方面进行分析和研究。
　　首先，根据六自由度摇摆试验台性能指标和工作特点，简单的进行了结构分析，设计了控制系统软硬件结构；
　　其次，对六自由度摇摆试验台的运动学及动力学问题进行了分析。通过运动学分析，建立了对应于运动平台不同运动状态时位置、速度反解方程，为后续的六自由度摇摆试验台位置伺服系统的设计奠定了基础。文中还对一种求解机构位置正解问题的数值方法进行了推导和验证。并对各支撑伸缩杆所受到的复杂负载扰动进行了研究；
　　然后，分析了结构参数和位姿参数对输出位姿误差的影响问题，建立了位姿误差补偿模型，从理论上提出了一种位姿误差补偿方法，用以补偿修正由位置反解得出的控制伸缩量；
　　最后，针对六自由度摇摆试验台强耦合、强负载扰动、高度非线性等特点，本文提出了一种模糊控制与PID控制相结合的复合控制策略，并进行了Matlab仿真验证。仿真效果表明采用引入了积分环节的复合控制不仅能够消除单纯模糊控制带来的稳态余差，提高稳态精度；同时还克服了耦合作用的影响，具有了抗干扰能力和较高的鲁棒性。

目录

六自由度摇摆试验台控制系统设计

DESIGN OF THE CONTROL SYSTEM FOR THE 6-DOF SWING PLATFORM

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究目的与意义

1.2 六自由度摇摆试验台系统简介

1.3 国内外研究概述

1.3.1 六自由度摇摆试验台研究概述

1.3.2 六自由度摇摆试验台控制策略研究概述

1.4 课题的主要研究内容与论文安排

第2章 六自由度摇摆试验台结构设计

2.1 引言

2.2 六自由度摇摆试验台的主要功能

2.3 六自由度摇摆试验台总体结构

2.4 六自由度摇摆试验台控制系统硬件结构设计

2.4.1 PMAC特性

2.4.2 六自由度摇摆试验台控制部分基本组成

2.5 六自由度摇摆试验台控制系统软件结构设计

2.5.1 IPC控制软件设计

2.5.2 基于PMAC的控制软件开发

2.6 本章小结

第3章 六自由度摇摆试验台运动学和动力学分析

3.1 引言

3.2 六自由度摇摆试验台位姿正反解

3.2.1 平台坐标系及坐标变换矩阵

3.2.2 平台位置反解

3.2.3 平台速度反解

3.2.4 位置反解算例仿真

3.2.5 平台位置正解

3.2.6 位置正解算例仿真

3.3 动力学耦合问题分析

3.4 轨迹规划

3.5 本章小结

第4章 六自由度摇摆试验台位姿误差分析及补偿

4.1 引言

4.2 六自由度摇摆试验台位姿误差分析概述

4.3 六自由度摇摆试验台位姿误差数学模型

4.3.1 误差数学模型

4.3.2 支撑伸缩杆杆长误差对平台位置姿态的影响

4.3.3 下平台铰点空间位置误差对平台位置姿态的影响

4.3.4 上平台铰点空间位置误差对平台位置姿态的影响

4.3.5 六自由度摇摆试验台位姿误差模型

4.4 六自由度摇摆试验台位姿误差补偿

4.5 本章小结

第5章 六自由度摇摆试验台位置伺服控制

5.1 引言

5.2 模糊控制概述

5.2.1 模糊控制的基本思想

5.2.2 模糊控制系统的组成

5.3 六自由度摇摆试验台模糊控制

5.3.1 输入输出量的模糊化处理

5.3.2 模糊规则的建立

5.3.3 模糊推理与清晰化

5.4 模糊PID复合控制

5.4.1 基本模糊控制器性能分析

5.4.2 积分环节的引入

5.5 基于复合控制方案的仿真

5.5.1 伺服系统仿真模型

5.5.2 常规PID、模糊控制与复合控制阶跃仿真对比

5.5.3 复合控制抗负载干扰能力仿真分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢