超大型天线馈源指向跟踪系统的力学分析及控制研究

摘要

在国家自然科学基金重点项目的支持下，基于前人的工作，本文主要对新一代超大口径球反射面射电望远镜FAST （Five-hundred Meter Aperture Spherical RadioTelescope)馈源指向跟踪系统的力学分析与控制进行研究。完成的主要工作和取得的研究结论归纳如下： 1．基于柔索的弹性悬链线方程，针对超大型天线的特点，建立了FAST馈源舱柔索支撑系统的非线性静力学模型，导出了系统静态刚度矩阵的解析表达式。由刚度表达式可见，系统刚度与馈源舱的位姿、舱索固接点的位置、柔索数目以及柔索拉力有关。最后，通过数值算例和物理实验验证了分析方法的正确性和有效性。 2．根据馈源舱柔索支撑机构交流伺服驱动系统的等效电路模型，建立了由伺服驱动电机到卷扬机的机电系统的动力学模型。在该模型中不但考虑了摩擦非线性环节的影响，而且还考虑了未建模动态等干扰的影响。在此基础上，针对该交流伺服驱动系统，设计了一种模糊滑模控制方法。这种方法通过分阶段的加入指数趋近控制来加快系统响应，同时利用模糊控制器实时调整滑模控制的趋近律参数。不仅保证了控制系统的快速性和鲁棒性，而且有效地削弱滑模控制的颤动；另外，该控制方案设计简单，便于工程应用。以馈源舱柔索支撑系统交流伺服驱动机构为对象进行数值仿真，结果表明这种控制方法能够获得良好的控制精度和较强的鲁棒性。进一步证明了理论分析的正确性和设计方法的有效性。 3．应用拉格朗日方程建立了馈源舱柔索支撑系统的动力学模型，解决了已知馈源舱运动轨迹，对馈源舱柔索支撑系统的逆运动学、逆动力学问题。同时，在考虑舱体动态运动过程中惯性力影响的前提下，进行馈源舱柔索支撑系统的轨迹规划，进一步可求解特定长度的柔索对处于某一位姿的馈源舱的作用力，并采用具有二次收敛性的Newton-Raphson迭代法进行解算，得到了更快的求解速度以满足控制的要求。数值计算结果表明，舱体中心的运行轨迹与运动要求相吻合：索长、舱体沿各坐标方向的位移、速度和加速度符合周期变化曲线；舱体上作用力的数值合理；从而验证了所建立的馈源舱柔索支撑系统的动力学模型是正确的。同时为进一步实现馈源舱柔索支撑系统的精确控制奠定了基础。 4．通过对馈源舱柔索支撑系统动力学的强非线性、参数不确定性以及受到外界干扰等系统特性的分析，探讨了该类控制系统的控制特点和适用的控制策略。进一步，设计了一种将常规PI控制和Fuzz)，控制相结合的Fuzzy-PI混合离散控制策略来实现馈源舱轨迹跟踪控制。这种控制策略不仅能发挥模糊控制鲁棒性强、劢态响应快的特点，而且具有常规PI控制器的动态跟踪品质和稳态精度。在此基超大型天线馈源指向跟踪系统的力学分忻及控制研究础上，为了进一步提高Fuzzy-PI混合离散控制系统的适应能力，设计了一种带有自调整因子的模糊控制规则。为了验证该Fuzzy-PI混合离散控制算法的优良控制性能，在相同给定条件和扰动下把Fuzzy—PI混合离散控制算法与常规模糊控制和离散非线性PID控制算法进行了比较研究。数值计算及结果分析表明，该Fuzzy-PI混合离散控制方法可在较大程度上补偿系统的非线性特性，并能提高系统响应的快速性、运动跟踪精度以及抗扰动能力。 5．根据KED(Kineto Elastio Dynamic Analysis)原理建立了柔性支腿Stewart平台的动力学模型。解决了已知动平台运动规划轨迹，求各滑动关节驱动力的动力学逆问题。由于充分考虑了动平台惯性、支腿惯性、支腿弹性和关节摩擦等因素，保证了模型的准确性。这种动力学模型为研究Stewart平台高精度轨迹跟踪控制奠定了基础。针对该机构的非线性、强耦合和多输入多输出等特点，设计了一种PID神经网络控制器(Proportional-Integral-Derivative Neural Network controller)来实现精调Stewart平台的高精度轨迹跟踪。这种PID神经网络控制策略采用基于优化神经网络的PID解耦控制，将PID控制规律融进神经元之中，既具有神经网络自学习、自适应及逼近任意函数的能力，又具有常规PID控制器结构简单、可靠性高等特点。理论分析和数值计算结果表明了该方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

§1.1研究背景和意义

§1.2并联机器人机构学理论与控制技术

§1.2.1并联机器人机构学理论

§1.2.2并联机器人控制技术

§1.3柔索牵引并联机构国内外研究现状

§1.4本文的主要工作

本章参考文献

第二章馈源舱柔索支撑系统的非线性刚度分析

§2.1引言

§2.2柔索结构的力学分析

§2.3馈源舱柔索支撑系统的静力学模型

§2.4馈源舱柔索支撑系统的静刚度分析

§2.5算例分析和实验研究

§2.6本章小结

本章参考文献

第三章馈源舱柔索支撑机构交流伺服驱动系统的建模与控制

§3.1引言

§3.2交流伺服驱动系统的动力学建模

§3.3模糊滑模控制器的设计

§3.3.1滑模控制器的设计

§3.3.2模糊控制器的设计

§3.4数值计算结果与分析

§3.5本章小结

本章参考文献

第四章馈源舱柔索支撑系统的动力学分析

§4.1引言

§4.2馈源舱柔索支撑机构模型

§4.3馈源舱柔索支撑系统运动学模型

§4.4馈源舱柔索支撑系统动力学模型

§4.5柔索的非线性力学模型

§4.6计算实例

§4.7本章小结

本章参考文献

第五章馈源舱柔索支撑系统轨迹跟踪控制

§5.1引言

§5.2馈源舱柔索支撑机构控制系统

§5.3馈源舱柔索支撑系统轨迹跟踪控制策略

§5.4馈源舱柔索支撑系统轨迹跟踪控制模型

§5.5 Fuzzy-PI混合离散控制算法

§5.5.1 Fuzzy-PI混合离散控制器结构

§5.5.2模糊控制器的积分作用

§5.5.3模糊控制规则的自调整

§5.6仿真计算及结果分析

§5.7本章小结

本章参考文献

第六章柔性Stewart平台动力学建模与控制

§6.1引言

§6.2基于KED方法的柔性支腿Stewart平台的动力学方程

§6.2.1支腿的Newton-Euler动力学方程

§6.2.2动平台的Newton-Euler动力学方程

§6.2.3 Stewart平台的支腿长度

§6.3 PID神经网络控制器设计

§6.3.1 PID-NNC前向算法

§6.3.2 PID-NNC反传算法

§6.4精调Stewart平台控制结构及原理

§6.5数值算例

§6.6本章小结

本章参考文献

第七章总结与展望

致谢

攻读博士学位期间的研究成果