3-PRR并联机构的轨迹跟踪控制

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本课题基于国家某重大专项子项目,以一种可实现姿态调整的并联机构为研究对象,通过理论研究、仿真分析及实验对其运动学、动力学、控制策略展开研究,主要研究内容如下:首先,提出了一种3-PRR并联机构(PRR为一个移动副和两个转动副串联形成的机构),对其进行了机械结构模型概述介绍、模型简化;运用封闭矢量链法进行了逆运动学解算;基于虚功原理建立了3-PRR构型的动力学方程;并对机构进行了逆动力学和动力学仿真。然后,建立了电液伺服系统的数学模型,采用了基于关节空间的控制结构,设计了基于位置的PID控制策略,并通过仿真分析了PID参数对控制效果的影响。为了提高并联机构的安全性和柔顺性,针对并联机构产生的跟踪误差和液压系统的不稳定性而带来的不确定性内应力,设计了基于位置的阻抗控制器。该控制器通过设计非线性扰动观测器观测的扰动力进行位置的补偿;仿真表明,基于位置PID控制策略能基本完成轨迹跟踪,基于位置的阻抗控制在不影响位置跟踪精度的情况下,能很好达到柔顺控制的要求。接着,为进一步提高控制精度,增强并联机构的协同性,提出了基于扰动观测器的级联控制方法。级联控制采取内环力控制,使液压缸具备力发生器功能,外环采用滑膜控制。并针对并联机构协同性问题,定义了综合关节空间跟踪误差和不同组协同误差的关节耦合误差。仿真和实验表明,级联控制策略不仅大大提高了驱动滑块的轨迹跟踪精度,而且还让并联机构具有更好的协同性。本文的研究内容对并联机构的运动学、动力学建模以及控制策略改进与工程应用具有一定的借鉴意义。
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