正交并联六自由度加载试验系统力控制及解耦研究

发布时间：2017-08-22 07:39

  本文关键词：正交并联六自由度加载试验系统力控制及解耦研究

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【摘要】：空间站在轨运行过程中,对接机构机械组件组合体将反复经受交变载荷、姿轨控制等外部施加载荷的影响,从而考验对接机构保持长期组合体状态下的连接刚度、强度及气密性的能力。因此为确保对接机构组合体空间在轨中的可靠性,需要在地面试验中对对接机构组合体进行各种载荷的耐受情况测试。本文采用基于正交并联机构的多轴加载系统为对接机构组合体提供多自由度方向上力/力矩加载,完成组合体的疲劳寿命测试。本文首先对多轴加载系统的原理和组成进行介绍,之后对系统运动学与动力学进行分析,得到系统各构件在位移、速度、作用力之间的相互关系。由于系统需要输出较大的力/力矩,因此选择液压驱动的阀控缸作为加载系统的作动器,并完成阀控缸的建模工作。之后采用基于作动器输出力闭环的常规控制方案进行初步加载试验。试验发现加载系统做动态加载时存在着较为严重的力耦合,需要对系统解耦进行研究,提高系统加载精度。为了能够对加载系统力耦合现象进行分析,本文建立了Adams-Simulink联合仿真模型,分别从几何结构误差、作动器控制特性差异、系统动力学耦合以及模拟负载刚度阵非对角占优四个因素出发,分析了各因素对多轴加载系统加载特性的影响。其中,几何结构误差造成的耦合可以通过提高机械加工精度及装配精度来减小,作动器特性差异可以通过选件和调试进行消除。而加载系统动力学耦合及模拟负载刚度阵非对角占优则与系统和被试件的特性相关,这部分特性引起的耦合可以通过相应的控制器进行补偿。多轴加载系统的加载力控制方法有很多,但大多从两个方面出发:一种是利用位姿控制间接的实现加载力控制;另一种是利用系统各结构之间作用力关系直接进行加载力控制。文中分别从这两个角度出发,提出几何位姿解耦的阻抗控制方法和结合惯性力补偿的平台输出力闭环的控制方法,并给出仿真验证。其中前者是利用力控制器,将力误差指令转换为位姿偏差,通过位姿解耦控制实现加载力的精确控制。后者则是利用加载平台输出力闭环的方法,将动力学耦合及模拟负载刚度阵非对角占优引起的偏差考虑到控制系统中,并对系统产生的惯性力进行补偿。各作动器采用自适应控制使各作动器特性造成的偏差最小,由此提高加载系统的控制精度,减小系统加载力的耦合。最后,本文针对所提出的力控制及解耦方法的适用性和有效性进行相关实验,通过对比解耦前后的实验结果,证明所提出的正交多自由度加载系统力控制及解耦方法的正确性。
【关键词】：并联机构 多轴加载系统 耦合特性分析 解耦研究
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V416
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题来源及研究的背景和意义9-10
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 课题研究的背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-14
• 1.2.1 国外研究现状10-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 国内外文献综述的简析14-15
• 1.4 本论文的主要研究内容15-17
• 第2章 多轴加载系统模型建立17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 多轴加载系统结构与原理17-18
• 2.2.1 系统组成17-18
• 2.2.2 系统工作原理18
• 2.3 多轴加载系统运动学建模18-21
• 2.3.1 坐标系的建立18-19
• 2.3.2 旋转运动的描述19
• 2.3.3 多轴加载系统运动学反解19-21
• 2.3.4 多轴加载系统运动学正解21
• 2.4 多轴加载系统动力学建模21-24
• 2.4.1 静态加载力学分析22-23
• 2.4.2 动态加载力学分析23-24
• 2.5 力反解模型的建立24
• 2.6 本章小结24-25
• 第3章 多轴加载系统加载力控制及耦合特性研究25-40
• 3.1 引言25
• 3.2 多轴加载系统常规控制方法25
• 3.3 单缸力控制系统建模25-29
• 3.3.1 液压动力机构建模26-27
• 3.3.2 其他环节的建模27-28
• 3.3.3 驱动力系统整体模型28-29
• 3.4 多轴加载系统性能测试29-32
• 3.4.1 单自由度方向加载试验29-31
• 3.4.2 组合自由度方向加载试验31-32
• 3.5 多轴加载系统耦合特性分析32-38
• 3.5.1 Simulink-Adams联合仿真模型的建立33-34
• 3.5.2 几何结构偏差引起的耦合34-36
• 3.5.3 作动器控制特性差异引起的耦合36-37
• 3.5.4 动力学耦合37
• 3.5.5 模拟负载特性引起的耦合37-38
• 3.6 本章小结38-40
• 第4章 多轴加载系统解耦研究40-52
• 4.1 引言40
• 4.2 几何结构偏差的消除40-41
• 4.3 解耦控制的研究41-51
• 4.3.1 基于位姿解耦的阻抗控制策略41-45
• 4.3.2 结合惯性力补偿的平台输出力闭环控制策略45-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 多轴加载系统加载实验研究52-59
• 5.1 引言52
• 5.2 试验系统简介52-54
• 5.2.1 硬件部分简介52-53
• 5.2.2 软件部分简介53-54
• 5.3 多轴加载系统解耦控制实验54-58
• 5.3.1 多轴加载系统解耦控制方案可行性判定55-56
• 5.3.2 结合惯性力补偿的平台输出力闭环加载实验56-58
• 5.4 本章小结58-59
• 结论59-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果65-67
• 致谢67

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