六自由度运动仿真平台模态空间解耦控制研究

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液压驱动六自由度运动台因其显著的特点,已被广泛应用于空间飞行器的运动模拟。然而,由于强运动学和动力学耦合,通过控制的方式来发掘六自由度运动台应用的所有潜能仍未完全实现。一般来说,铰点空间控制将每个关节轴视为线性单输入/单输出系统,动态耦合处理为干扰信号。对于强耦合刚体系统,如果这种动态耦合不能充分补偿,将会在很大程度上削弱系统的控制性能。针对这些耦合问题,需要提出一种有效的控制策略来补偿耦合的影响。好的解耦控制策略不仅要求算法简单、控制参数可独立调节,还可以补偿耦合影响,提高系统频宽。本文的研究重点集中在液压驱动6-DOF运动模拟器的耦合影响分析和基于耦合补偿技术的控制方法。为了研究耦合的影响及其特点,对液压驱动六自由度运动仿真平台的耦合特性进行了分析和讨论。本文的分析方法是基于铰点空间广义逆质量矩阵的奇异值分解算法,利用奇异分解正交矩阵各列中元素项来量化模态空间和物理空间的耦合程度。耦合的理论分析结果与仿真和试验结果具有很好的一致性。因此,本文提出的耦合分析方法是有效的。通过分析,阐明了耦合影响与频率之间的关系。6自由度运动仿真平台的动力学耦合影响随频率的增加而增加。在低频区域,耦合影响很小,随着频率的增加,耦合影响变大,当频率接近系统的固有频率时,耦合影响最大。当运动的频率继续增加时,耦合影响迅速降低。分析结果还表明,在工作空间中,仅升沉和偏航是独立于其他自由度和可单独调节的。本文建立了用于作动器之间耦合影响分析的仿真模型。为便于分析,将作动器分成偶数和奇数作动器。从仿真结果看,耦合在偶数作动器和奇数作动器之间更严重一些。由于传统铰点空间控制器在六自由度运动仿真平台控制中处理耦合问题时,存在局限性。本文提出了一种新颖的模态空间解耦控制策略。该方法将强耦合六输入六输出动力学系统转化为具有六个独立的单输入单输出(SISO)的单自由度液压驱动机械系统。该方法映射出从铰点空间到解耦模态空间的控制和反馈变量,其优越性在于几乎每个自由度都可以单独控制调节,并实现频宽的拓展。本文提出的控制策略允许采用与单自由度系统控制器设计的相同的方法来设计复杂系统控制器。通过对每个解耦自由度进行独立的闭环控制设计,可以有效地降低工作空间运动的耦合影响。与传统PID控制器比较表明,模态空间解耦控制器几乎在所有方面均具有更好的控制性能。本文的主要研究了六自由度运动仿真平台耦合特性和耦合补偿控制方法。本文的研究结论可以为结构设计人员提供设计的理论指导,在六自由度机构设计的初始阶段进行耦合影响评估,实现结构最优化设计,无自由度运动耦合是六自由度机构所期望的。此外,也为各种可能设计方案的最优选择提供了一个参考依据。研究结论还表明如本文的研究对象一样的多变量多自由度系统可以被转化为单自由度系统进行处理。与传统铰点空间控制相比,模态空间解耦控制器的适用性和有效性均可通过仿真进行验证。
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