六自由度并联波浪补偿系统设计与控制关键技术研究

发布时间：2017-10-05 22:40

  本文关键词：六自由度并联波浪补偿系统设计与控制关键技术研究

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【摘要】：六自由度并联波浪补偿系统是海上补给的关键装备,主要用于海上集装箱堆垛和鱼雷导弹装填等需要精确定位的补给作业中,能够控制货物的位置和姿态,并且消除海浪引起的舰船运动对海上补给的影响。目前国内外对六自由度并联波浪补偿系统的研究比较少,相关技术还不成熟,尤其是并联波浪补偿系统的设计和控制缺乏理论支撑。立足这一现状,本文探索研究了并联波浪补偿系统的设计与控制中的若干关键问题,研究成果可用于指导并联波浪补偿系统的研制。并联波浪补偿系统实际上是具有动基座的绳牵引并联机构。在设计方面,本文从并联波浪补偿系统的应用环境和功能要求出发,制定了绳牵引并联机构的设计要求。在此基础上,分别研究了力旋量可行工作空间求解、无奇异的绳牵引并联机构设计以及动基座绳牵引并联机构的抗摆和振动特性等问题。在控制方面,针对并联波浪补偿系统控制面临的参数不确定和未知干扰等问题,研究了滑模控制方法、负载惯性参数辨识方法以及张力分布优化算法。论文主要的研究内容包括:1)提出了基于绳牵引并联机构的六自由度波浪补偿系统结构方案,分析了该方案的相对运动补偿原理和摆动消除原理,在理论上证明了该方案能够完全补偿两舰船之间的六自由度相对运动并且能够消除货物摆动。提出了绳牵引并联机构的基本设计要求,为下文的研究奠定了基础。2)针对现有的绳牵引并联机构工作空间求解方法的缺陷,提出了一种基于边界搜索的力旋量可行工作空间求解方法。该方法利用高维空间投影来验证单个位姿的力旋量可行条件,通过深度优先搜索算法寻找工作空间边界,不仅能得到工作空间的直观表达,而且显著减小了计算量。在此基础上,结合实例分析了力旋量可行工作空间与构型参数之间的关系,为构型参数的设计提供了依据。3)分析了绳牵引并联机构的奇异类型和特点,重点研究了构型奇异和位形奇异的消除方法。提出了一种奇异性验证方法,通过区间估计和分支修剪算法来验证指定的工作空间中是否存在奇异,为避免奇异位形开辟了新的路径。4)针对基座运动引起的摆动和振动,研究了消摆和抑振的方法。为了衡量机构的抗摆能力,提出了抗摆工作空间的概念和初始绳间力优化方法,分析了抗摆能力与构型参数间的关系,为提高机构的抗摆能力指明了方向,并通过缩比机构实验验证了这些结论。推导了绳牵引并联机构振动方程,分析了固有频率及其影响因素,研究了避免共振的方法。5)并联波浪补偿系统控制面临的主要问题是不确定参数和未知干扰。为了解决这些问题,提出了带有边界层的滑模控制方法和负载惯性参数辨识方法。针对具有冗余构型的绳牵引并联机构,研究了基于交互投影的张力分布优化算法,能够在可行解存在的条件下得到连续、安全的最优张力分布,在可行解不存在的条件下得到最佳近似分布。通过Matlab和Adams联合仿真验证了这些方法的有效性,将仿真结果与传统的计算力矩控制进行对比,证明了本文提出的控制方法对于不确定参数和未知干扰具有更强的鲁棒性,能够提高波浪补偿控制精度。
【关键词】：并联波浪补偿系统 绳牵引并联机构 力旋量可行工作空间 奇异性验证 抗摆能力 振动特性 滑模控制 张力分布优化
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.98;TH112
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第一章 绪论15-37
• 1.1 研究背景与意义15-16
• 1.2 相关技术国内外研究现状16-33
• 1.2.1 相对运动补偿技术研究现状16-22
• 1.2.2 摆动抑制技术研究现状22-23
• 1.2.3 绳牵引并联机构研究现状23-33
• 1.3 研究思路与内容安排33-37
• 1.3.1 研究思路33-35
• 1.3.2 内容安排35-37
• 第二章 六自由度并联波浪补偿系统结构原理37-50
• 2.1 六自由度并联波浪补偿系统结构方案37-39
• 2.2 坐标系定义与坐标变换39-41
• 2.3 六自由度相对运动补偿原理41-45
• 2.3.1 位移补偿原理41-43
• 2.3.2 速度补偿原理43-45
• 2.4 摆动抑制原理45-48
• 2.4.1 运动学不确定机构的摆动抑制原理46-47
• 2.4.2 运动学确定机构的摆动抑制原理47-48
• 2.5 并联波浪补偿系统绳牵引并联机构设计要求48-49
• 2.6 本章小结49-50
• 第三章 基于边界搜索的力旋量可行工作空间求解50-75
• 3.1 绳牵引并联机构动力学方程50-52
• 3.2 绳牵引并联机构工作空间定义与分类52-53
• 3.3 力旋量可行条件验证53-61
• 3.3.1 力旋量可行条件53-54
• 3.3.2 期望力旋量集的估计54-55
• 3.3.3 可得力旋量集的特征55-59
• 3.3.4 力旋量可行条件验证步骤59-61
• 3.4 边界搜索法61-71
• 3.4.1 块的划分与搜索63-64
• 3.4.2 深度优先搜索算法64-67
• 3.4.3 数值案例67-70
• 3.4.4 特殊情况70-71
• 3.5 力旋量可行工作空间与构型参数的关系分析71-73
• 3.6 本章小结73-75
• 第四章 无奇异的绳牵引并联机构设计75-90
• 4.1 绳牵引并联机构的奇异类型与特征75-77
• 4.1.1 根据速度输入输出关系分类75-76
• 4.1.2 根据奇异产生的机理分类76-77
• 4.2 构型奇异与位形奇异的消除方法77-81
• 4.2.1 设计中避免构型奇异的方法77-79
• 4.2.2 驱动冗余消除奇异位形的原理79-81
• 4.3 基于区间估计的奇异性验证81-89
• 4.3.1 绳牵引并联机构奇异条件81-82
• 4.3.2 区间运算与区间估计82-84
• 4.3.3 基于区间估计的奇异性验证方法84-87
• 4.3.4 数值案例87-89
• 4.4 本章小结89-90
• 第五章 动基座绳牵引并联机构抗摆与振动特性研究90-104
• 5.1 动基座绳牵引并联机构抗摆特性90-98
• 5.1.1 抗摆工作空间90-93
• 5.1.2 初始绳间力优化93-94
• 5.1.3 抗摆能力与构型参数的关系94-95
• 5.1.4 缩比机构抗摆特性实验95-98
• 5.2 动基座绳牵引并联机构振动特性98-103
• 5.2.1 绳牵引并联机构振动方程98-100
• 5.2.2 振动固有频率和影响因素100-102
• 5.2.3 避免共振的方法102-103
• 5.3 本章小结103-104
• 第六章 并联波浪补偿系统控制方法104-126
• 6.1 滑模控制方法104-108
• 6.1.1 干扰分离的动力学模型104-106
• 6.1.2 滑模控制律106-108
• 6.2 负载惯性参数辨识108-112
• 6.2.1 动力学方程变换109-110
• 6.2.2 惯性参数辨识方法与步骤110-112
• 6.3 基于交互投影的张力分布优化算法112-116
• 6.3.1 张力分布优化目标112-113
• 6.3.2 交互投影与Dykstra算法113-115
• 6.3.3 基于交互投影的张力分布优化流程115-116
• 6.4 基于Matlab与Adams的联合仿真116-124
• 6.4.1 Adams中的绳牵引并联机构仿真模型117-119
• 6.4.2 Matlab与Adams联合仿真模型119-120
• 6.4.3 仿真结果与分析120-124
• 6.5 本章小结124-126
• 第七章 结论与展望126-128
• 7.1 研究结论126-127
• 7.2 研究展望127-128
• 致谢128-130
• 参考文献130-143
• 作者在学期间取得的学术成果143-144
• 附录A 重要符号变量说明表144-147

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：979250