基于ADAMS和SIMULINK联合仿真的高速并联机械手伺服系统研究

摘要

本文密切结合国家自然科学基金项目，以实现二自由度Diamond并联机械手全数字化仿真为目标，搭建了虚拟机电一体化样机模型，研究了系统的控制器设计及参数全局优化方法，并取得如下成果： (1)基于直接转矩控制原理，利用Matlab/Simulink软件建立了三相异步电机的数字化模型及其伺服控制系统模块，分析了异步电动机在直接转矩控制系统下的磁链轨迹、定子电压、定子电流、转速以及电磁转矩等参数的变化情况，解决了机电一体化分析中电机伺服控制系统的快速数字模块化问题。 (2)基于Msc/Adams商用软件，建立了Diamond高速并联机械手的刚体以及刚柔混合多体动力学模型，获得了在已知驱动条件下两种模型的机械手末端执行器动力学特性，并分析了并联机械手从动臂杆的柔性对于末端执行器质心轨迹和加速度的影响。 (3)基于Msc/Adams和Matlab/Simulink软件分别建立了Diamond并联机械手的刚柔混合多体动力学模型及其伺服驱动系统的数字化模型，并以Matlab中S-function为源代码，开发了机、电两类子系统的接口程序，完成了整个系统的机电一体化虚拟样机模型。采用“位移/速度驱动，实时负载反馈”的控制策略，解决了半闭环控制中信息交换实时性的问题。 (4)针对Diamond高速并联机械手的结构特点，研究了其刚体逆动力学建模及其全域内伺服系统控制器参数整定方法。利用虚功原理构造了主模块的刚体动力学逆解模型，为后续的伺服系统参数整定提供了必要的数学模型。以实际工况下的动平台末端运动轨迹均方根误差最小为优化目标，对并联机械手伺服系统控制器参数进行了整定，给出了使系统在全工作空间趋优的控制器参数的范围。 上述研究成果不仅对并联机械手数控技术的开发具有一定的指导作用，而且还为评判机械零部件的优化设计的优劣和验证伺服系统控制策略及优化算法提供了快速仿真平台。

目录

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第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1机械子系统

1.2.2电机控制系统

1.2.3机电耦合过程分析

1.3本文的主要研究内容

第二章直接转矩控制原理及其数字化实现

2.1引言

2.2直接转矩控制的主要控制特点

2.3交流异步电动机数学模型

2.4直接转矩控制

2.4.1控制原理

2.4.2系统结构图

2.4.3直接转矩控制系统数字化实现

2.5仿真及结果

2.6本章小结

第三章高速并联机械手机电一体化联合仿真

3.1引言

3.2机械子系统

3.2.1 Diamond并联机构

3.2.2刚柔混合动力学模型

3.3伺服子系统

3.3.1电机的选择

3.3.2电机伺服系统数字化模型

3.4联合仿真

3.5仿真及结果

3.6本章小结

第四章基于全局优化的高速并联机械手PID参数整定

4.1引言

4.2动力学建模

4.3伺服系统参数整定

4.4 Diamond并联机械手PID参数整定

4.5本章小结

第五章全文总结

5.1结论

5.2工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢