《提高六自由度运动平台动态性能的控制方法研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《提高六自由度运动平台动态性能的控制方法研究（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学 硕士学位论文 提高六自由度运动平台动态性能的控制方法研究 姓名：陈亮 申请学位级别：硕士 专业：轮机工程 指导教师：李维嘉 20070605 华 中 科 技 大 学 生 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 生 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 摘 要 六自由度平台的动态性能是其重要的技术指标之一。 本文通过研究液压伺服系统的 控制方法，进而改善基于液压驱动的六自由度平台的动态性能，为研制高水平的模拟 器奠定基础。 论文首先分析了六自由度平台的结构及运动特点， 推导出了平台单回路的数学模型 及控制器模型，并利用 AMESim 液压系统仿真软件建立了单回路运动控制系统的
2、仿真 模型，为平台控制策略的研究提供了保证。 通过对 PID 控制、带有压力反馈补偿的 PID 控制以及鲁棒 H三种控制方法的仿真 分析和实验分析，可以得出：1）第一种控制方法具有简单、可靠性高、易于实现的特 点， 但是无法满足平台作高频(1Hz)运动时动态指标的要求， 且抗负载扰动能力差； 2） 第二种控制方法可以提高液压系统的阻尼比和固有频率，增加系统的运动平滑性与响 应快速性，却同样存在着抗负载扰动能力差的弱点；3）第三种控制方法在试验中表现 了很好的抗负载扰动能力，其不足在于无法显著地提高系统的动态响应速度。因此， 单纯地采用任何一种控制方法，难以理想地提高系统的动态性能。 最后，论文
3、提出一种带有压力反馈补偿的鲁棒 H控制方法。仿真与试验表明，此 种控制方法可以使平台系统具有较好的响应速度、运动精度及鲁棒性，并且平台系统 的位姿响应频宽从 1Hz 提升到了 5Hz。 关键词：关键词：六自由度平台；控制策略；动态性能；压力反馈；鲁棒 H 华 中 科 技 大 学 生 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 生 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The dynamic performance of Six-DOF platform is most important qualification among the rest. Through studying
4、 the control strategy of electro-hydraulics servo system, advance the dynamic performance of Six-DOF platform and lie the foundation of a high- performance simulator. Based on the structural and movement characteristic of Six-DOF platform,the mathmatic model of the platform and the controller were d
5、educed.With the combination of AMESim simulation software ,it provided clearly reliable guarantee for study. PID algorithm,PID with pressure feedback compensation and Robust H have been discussed in the paper. PID algorithmis is simple,steady and easy to implement ,but in the control system of Six-D
6、OF platform ,this method can not meet the need of control effect especially under quick movement and be poor in resisting load disturbance.PID with pressure feedback compensation can advance systemic movement flatness and response speed,but also be poor in the ability of resistance to load disturban
7、ce.The Robust H control method incarnates the good performance in stabilization.From the low speed to the high speed ,the Robust H control method can make the sytem quickly response to the input and keep the whole sytem steady,but the Robust control method can not obviously advance the response spee
8、d of whole system.To conclude ,using any one control method among three only can not make the dynamic performance of system best. In conclusion，a control strategy of Robust H with pressure feedback compensation is put forward. Experiment study is made on the prototype , and the results indicate that
9、 , with this control strategy , the response time,movement accuracy and the ability of resistance to load disturbance can be greatly improved. Keywords：Six-DOF；Control Strategy；Dynamic Performance； Pressure Feedback；Robust H 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个
10、人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导
11、教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 生 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 生 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 课题来源及目的意义 1.1.1 课题来源 本研究课题来源于六自由度运动仿真中心的自选课题，拟通过本论文的研究工作， 使该中心运动平台的性能得到明显提高。 1.1.2 研究目的和意义 六自由度平台作为飞行模拟器的关键设备，伴随着仿真技术、航空航天技术、信 息技术、计算机技术的不断发展，而日益成熟。进而在飞行仿真、舰船仿真、车辆仿 真等众多领域有着广泛的应用。由于各式模拟器具有不受天气环境影响、极大减少训 练费用、提高训
12、练效果及训练安全性的显著优点，受到许多发达国家的重视。目前， 我国的模拟器设计水平和制造水平与西方发达国家相比，还有一定的距离。因此，加 大对模拟器关键技术的研究，对于提高我国模拟器的仿真水平具有重要意义。本文侧 重于提高六自由度平台动态性能的控制方法研究，为今后研制高性能的仿真模拟器做 准备。因此本课题研究具有重要的理论意义和实用价值。 1.2 国内外发展现状 并联六自由度平台是具有重大经济价值和国防战略意义的高精尖实验设备。 最早的 空间六自由度并联机器人是 1965 年 D. Stewart 提出并研制的。进入上世纪 90 年代以 来,六自由度运动平台越来越广泛的应用于各种训练模拟器,如
13、飞行模拟器、舰艇模拟 器、海军直升机、起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、 地震模拟器、空间对接计术、航空航海设备等。由于有极为广阔的应用前景，近几年 引起了国内外科研院校广泛的研究兴趣。六自由度运动平台的研制涉及机械、液压、 华 中 科 技 大 学 生 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 生 硕 士 学 位 论 文 2 电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、 动态仿真等一系列高科技领域。因而六自由度运动平台的研制成了高等院校、科研院 所在液压和控制领域中水平的标志性象征。 研制出动态性能优良的六自由度平台的关键是机构学理论
14、、 关键零部件的性能及其 控制策略等等的研究。而针对控制策略这方面，目前国内外的研究人员作出了许多卓 有成效的理论研究及成果。如哈尔宾工程大学机电工程学院与昆明船舶设备集团设计 研究院研制的液压六自由度并联机器人采用一种基于 T-S 模糊模型,具有输入、输出前 馈补偿的模糊自适应 PID 控制方法，通过样机试验证明了该方法可在较大程度上补偿 机器人液压系统的非对称性，并能提高系统响应快速性、运动精度和抗负荷扰动能力， 其运动平台系统的垂直升降响应频率至少可以达到 4Hz，控制效果明显要好于常规 PID 控制1。 还有中国民用航空学院及机场设备研究所的研究人员在飞行模拟器中采用洗出 滤波算法，通
15、过比例限制,能够根据输入量的范围来调整液压缸的伸长量，在充分利用 液压缸现有行程的同时还能在仿真结束后非常平缓的回到中立位置，从而逼真的模拟 出飞机俯冲、滚转、偏航、升降、纵向和侧向平移等运动2。哈尔滨工业大学机电学院 的李洪人教授及赵强博士提出一种基于遗传算法的六自由度优化参数控制方法，通过 分析模拟器的运动机构参数对液压缸行程和受力的影响规律，采用液压缸的行程和受 力的线性加权作为目标函数，应用改进的遗传算法进行优化，得出了合理的优化结果， 为舰船运动模拟器的优化设计提出了一种有效的方法3。 哈尔滨工程大学研制的并联六 自由度运动平台采用基于神经网络算法的先进 PID 控制方案，通过神经网
16、络的在线自 学习、加权系数调整，使神经网络输出对应与某种最优控制律子下的 PID 控制器参数， 从而达到某种性能指标的最优化,使系统动态性能得到改善,同时稳定精度高，系统无 超调4。 清华大学自动化系提出一种非线性鲁棒控制用于飞机自动着陆运动控制， 这种 直接基于非线性模型的带神经网络补偿信号的逆系统方法克服飞机自着陆控制中的强 非线性和不确定扰动干扰,使得飞机着陆控制系统具有很强的鲁棒性和良好的跟踪精 度5。 王益群等研究人员在并联机器人电液伺服系统中采用速度跟踪来控制六个通道并 联机器人的运行姿态，采用位置控制来保证位置精度，采用双自由度 PID 控制器来整 定干扰最优控制参数和目标跟踪最
