六自由度微重力模拟平台的构型优化和控制方案研究

发布时间：2017-10-05 19:11

  本文关键词：六自由度微重力模拟平台的构型优化和控制方案研究

  更多相关文章： 微重力模拟 Stewart平台 并联驱动 动力学 多目标优化 NSGA-2 压力控制 模糊PID

【摘要】：随着航天技术水平的不断发展和提高,各种航天设备的工作要求也变得愈加复杂而精细。由于受力环境的不同,航天设备在宇宙太空中的动力学特性与在地球表面截然不同,因此,为了保证航天设备在轨运行的可靠性,需要对航天设备所处的微重力力学环境进行模拟。本文针对国内外不同类型的微重力模拟方式做了分析对比,总结了各种模拟方式的优缺点,并据此提出了以六维Stewart构型为基本机构形式的半物理仿真系统,进而模拟空间六维的微重力环境。为了对机构设计、尺寸优化以及控制策略分析提供理论依据,对微重力模拟试验平台的反向运动学进行了分析计算,然后采用凯恩方法建立了该平台的逆向动力学模型,并将动力学的计算结果以成矩阵的形式表达,进而提升计算效率。编写了相应的动力学计算程序,并进行了相关的仿真验证。根据微重力实验平台最小工作范围、高精度和高负载的要求,提出了球形工作空间半径、全局灵巧度和全局负载指数这三个目标函数。为了保证平台运动性能和动态特性与结构尺寸的量纲无关,对平台雅可比矩阵进行了无量纲化操作。针对三个性能指标,采用多目标进化算法NSGA-2对平台的构型参数进行了优化。微重力模拟主要原理是通过力传感器测量实验物体受到的外力和外力矩,并据此实时计算模拟目标在此负载下的运动规律,然后驱动六自由度平台来复现此运动规律。为了实现高负载,高精度的微重力模拟,提出了采用气缸与电机滚珠丝杠并联作为六维微重力平台支腿的方案。其中,气缸主要负责补偿实验物体的重力,电机驱动滚珠丝杠来实时控制整个平台的跟随运动。对六维微重力模拟试验平台单支腿的控制策略进行了相关的研究分析。通过计算支腿气动压力控制系统的非线性方程,在MATLAB/Simulink完成气动压力系统搭建。对支腿的气动压力系统分别采取PID与模糊PID控制方法进行了仿真、分析、对比,验证了模糊PID对气压控制的有效性。最后,对电机滚珠丝杠进行初步的仿真验证,初步验证了气缸与滚珠丝杠并联的支腿系统实现微重力模拟的可行性。
【关键词】：微重力模拟 Stewart平台 并联驱动 动力学 多目标优化 NSGA-2 压力控制 模糊PID
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V416.8
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 注释表10-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题研究背景与意义11
• 1.2 微重力模拟方法的发展现状11-15
• 1.2.1 建立失重环境11-12
• 1.2.2 利用平衡力补偿重力12-14
• 1.2.3 半物理仿真模拟14-15
• 1.3 六维微重力模拟平台关键技术的研究现状15-17
• 1.3.1 Stewart机构15-16
• 1.3.2 气动压力控制16-17
• 1.4 本文主要研究内容17-19
• 第二章 六维微重力模拟平台的运动学和动力学建模与分析19-33
• 2.1 引言19
• 2.2 运动学分析19-25
• 2.2.1 平台构型概述19-21
• 2.2.2 位置反解21-22
• 2.2.3 平台各构件的速度22-24
• 2.2.4 平台各构件的加速度24-25
• 2.3 雅可比矩阵25-26
• 2.4 动力学分析26-31
• 2.4.1 凯恩方法介绍26-28
• 2.4.2 偏速度计算28-29
• 2.4.3 广义主动力和广义惯性力的计算29-30
• 2.4.4 支腿驱动力计算30-31
• 2.5 凯恩方法建模的仿真验证31-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第三章 六维微重力模拟平台构型参数的多目标优化33-54
• 3.1 引言33
• 3.2 性能指标33-45
• 3.2.1 工作空间34-38
• 3.2.2 灵巧度38-40
• 3.2.3 负载能力指数40
• 3.2.4 无量纲化的雅可比矩阵40-45
• 3.3 多目标优化算法NSGA-245-48
• 3.3.1 多目标优化的基本概念45-46
• 3.3.2 NSGA-2 算法流程46-48
• 3.4 平台的构型参数优化48-52
• 3.4.1 设计变量的分析48-50
• 3.4.2 优化计算50-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第四章 微重力模拟平台支腿控制策略研究54-75
• 4.1 引言54
• 4.2 六维微重力模拟试验平台系统介绍54-58
• 4.2.1 系统概述54-55
• 4.2.2 平台工作原理介绍55-56
• 4.2.3 模拟目标与上平台的位姿计算56-57
• 4.2.4 支腿系统构成57-58
• 4.3 支腿的气动压力控制58-72
• 4.3.1 气压控制系统概述58-59
• 4.3.2 支腿气压控制系统数学模型的推导59-65
• 4.3.3 支腿气动系统PID控制65-68
• 4.3.4 支腿气动系统模糊PID控制器设计68-72
• 4.4 电机滚珠丝杠控制72-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第五章 总结与展望75-77
• 5.1 总结75-76
• 5.2 展望76-77
• 参考文献77-81
• 致谢81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：978332