吊盘稳车机构非光滑动力学行为及调平控制策略研究

摘要

吊盘稳车机构是立井施工过程中的重要设备，其安全可靠运行是提高立井施工效率，确保施工安全的关键。吊盘在升降过程中，由于稳车运行不同步、滚筒缠绳半径的差异、吊盘质心偏心等原因，造成吊盘经常发生倾斜、碰壁甚至卡盘事故，也导致钢丝绳张力分布不均，影响其整体使用寿命。从机器人学观点看，吊盘稳车机构是一种长柔索驱动欠约束并联机器人，国内外关于此类机器人的研究仍处于探索阶段，存在许多尚未解决的理论问题，运动学和动力学问题是其中两个最基本的问题。因此，开展吊盘稳车机构的运动学、动力学研究，进而提出吊盘姿态调平和钢丝绳张力均衡的控制策略，对丰富和发展柔索并联机器人理论具有重要理论价值，对提高立井施工效率、保障施工安全具有重要现实意义。
　　本文针对吊盘运行过程中发生倾斜和钢丝绳张力分布不均的问题，采用理论建模、数值仿真与实验验证相结合的方法，深入研究吊盘稳车机构的运动学、动力学和调平控制策略，为吊盘稳车机构的安全高效运行提供理论支撑和技术解决方案。
　　首先，考虑钢丝绳的质量、弹性以及松紧状态，建立吊盘稳车机构的前向运动学模型，提出求解前向运动学问题的遍历算法；构建吊盘稳车机构模拟实验系统，在实验系统上进行的前向运动学实验，验证了运动学模型的正确性和遍历算法的有效性；基于运动学模型和遍历算法，研究吊盘质心偏心和钢丝绳长度变化对吊盘位姿和钢丝绳张力分布的影响规律，进而提出吊盘结构设计准则以及为实现姿态调平和张力均衡的钢丝绳长度调节准则。
　　其次，提出集值张力定律用于完备地描述钢丝绳的单向约束特性；考虑钢丝绳的动力学特性，建立吊盘稳车机构的非光滑动力学模型；改进了求解非光滑动力学模型的Moreau中点算法，得到了吊盘稳车机构进行过程中非光滑动力学行为；在模拟实验系统上进行的动力学实验验证了非光滑动力学模型的正确性和数值求解算法的有效性。
　　最后，分析并选择吊盘调平控制策略；构建吊盘稳车机构的逆向运动学模型，基于吊盘位姿和钢丝绳张力反馈，设计PID静态调平和变速积分PID动态调平控制器；分析了吊盘姿态角和钢丝绳长度差之间的模糊关系，基于吊盘姿态角和钢丝绳张力反馈，设计模糊静态调平和模糊PID动态调平控制器；在模拟实验系统上进行的调平控制实验验证了控制器的有效性，实验结果表明控制器在30秒内就能调平吊盘并均衡钢丝绳张力。
　　该论文有图69幅，表41个，参考文献227篇。

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Extended Abstract

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Contents

图清单

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变量注释表

1 绪论

1.1课题来源（Source of Subject）

1.2选题背景及意义（Background and Significance）

1.3国内外研究现状（Domestric and Foreign Research Status）

1.4研究内容与目标（Main Contents and Objects）

1.5本章小结（Brief Summary of this Chapter）

2 吊盘稳车机构模拟实验系统的构建

2.1引言（Introduction）

2.2系统整体结构（Overall Structure of System）

2.3机械结构设计（Designing for Mechanical Structure）

2.4检测控制系统设计（Designing for Measurement and Control

2.5实验系统标定与测试（Calibration and Test to Experimental

2.6本章小结（Brief Summary of this Chapter）

3 吊盘稳车机构前向运动学分析

3.1引言（Introduction）

3.2前向运动学模型的建立（Eestablishment of Forward Kinematics

3.3前向运动学模型的求解（Solving the Forward Kinematics

3.4前向运动学仿真与实验（Simulatfion and Experiment for

3.5质心偏心对位姿和张力分布影响规律（Affection of Eccentric

3.6钢丝绳长度变化对位姿和张力分布的影响规律（Affection of

3.7本章小结（Brief Summary of this Chapter）

4 吊盘稳车机构非光滑动力学分析

4.1引言（Introduction）

4.2非光滑动力学模型的构建（Establishment of Non-smooth

4.3非光滑动力学模型的数值求解方法（Numerical Solution to

4.4非光滑动力学仿真与实验（Simulation and Experiment for

4.5本章小结（Brief Summary of this Chapter）

5 吊盘稳车机构调平控制策略研究

5.1引言（Introduction）

5.2调平控制策略分析（Strategy Analysis for Auto-leveling

5.3基于吊盘位姿反馈的调平控制（Auto-leveling Control Based on

5.4基于吊盘姿态角反馈的调平控制（Auto-leveling Control Based

5.5本章小结（Brief Summary of this Chapter）

6 总结与展望

6.1主要结论（Main Conclusions）

6.2主要创新点（Main Innovations）

6.3研究展望（Future Works）

参考文献

附录1

作者简历

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