基于并联机构的多维减振装置及其主动控制技术的研究

发布时间：2020-08-21 12:45

【摘要】：多维振动问题普遍存在于机械、航空航天、车载、仪器仪表等各个工程领域,严重影响了相关设备的性能和使用寿命。到目前为止,还没有切实有效的多维减振理论和技术解决这一工程难题。因此,对多维减振及其控制技术展开研究具有重大的理论意义和应用价值。在国家自然科学基金项目“仿橡胶多维减振平台设计的系统理论与非线性解耦控制(50375067)”的资助下,本文以车辆座椅的三维减振为研究应用背景,设计了一种新型三平移并联机构作为多维减振的主体机构,提出了一种混合电磁作动器作为主动减振系统的执行器,设计了基于并联机构的多维减振装置,并研究了其主动控制技术,目的是解决工程实际中所面临的多维减振问题。首先,本文设计了一种单永磁和双永磁混合电磁作动器,根据控制线圈电流大小和方向的变化,可以实现双向控制作动力输出。利用等效磁路法和有限元方法分别分析了作动器的磁场和电磁力特性,分析了作动器在主动减振系统中的力学特性,并通过实验测试了作动器的静态电磁力特性。其次,本文设计了3—PRRP(4R)三平移并联机构作为多维减振装置的主体机构,对该并联机构进行了运动学和动力学分析,对其位置正反解、速度、加速度、动力学方程进行求解,分析了该机构的工作运动空间及其工作空间内的奇异性和可操作性,并由此对机构参数进行了优化设计。机构的运动学分析表明,机构在垂直方向具有较大的工作空间,在整个工作空间内无奇异位置,机构的Jacobian巨阵与垂直方向位移无关,适合作为车辆座椅等场合的三维减振平台使用。再次,对基于并联机构的多维减振装置进行了振动分析,建立多维减振系统的动力学微分方程,采用振动模态分析方法分析了系统的固有频率和振型等动态特性,计算了系统在多维阶跃和随机振动激励下的振动响应,分析了多维减振系统的动态灵敏度,研究了各结构和力学参数对动平台振动特性的影响,并进行仿真验证。针对多维主动减振装置,在主动控制算法上,设计了基于线性二次型GUASS的LQG最优控制器和考虑系统结构参数不确定情况下的基于输出反馈的鲁棒控制器。对多维主动减振系统在阶跃和随机振动激励下分别在MATLAB中进行了主动控制仿真,得到了系统的振动响应及作动器的输出特性,结果表明系统可以取得了较好的三维减振效果,尤其在低频范围表现出较小的振动传递率,特别在系统力学参数变化幅度较大的情况下,主动减振系统鲁棒控制器表现出了良好的鲁棒性。最后,本文构建了基于DSP的多维主动减振系统,整个主动减振控制系统包括多维减振系统的实验样机、传感检测系统、数据采集处理系统、控制器、电流驱动器以及激振源等。设计并实现了包括基于DSP2812的控制器系统、三支路双向可逆PWM电流驱动器以及控制算法等关键技术。试验方案对实验样机采用基于最优控制器进行主动减振试验,结果表明本文所设计的多维主动减振系统能够对三维的振动实现有效的减振控制。本文开创性地将并联机构与主动减振技术相结合,引入到多维减振领域中来,思路新颖,独具匠心。所设计的基于DSP、并联机构和混合电磁作动器的多维主动减振系统,结构简单紧凑,控制效果良好,为多维减振控制领域提供了一个新的方向,具有广泛的理论意义和实用价值。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TH112

【引证文献】