基于VxWorks的六自由度运动平台控制系统研究

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六自由度运动平台具有刚性大、承载能力强、累积误差小等特点,被广泛应用在于飞行模拟、汽车制造、船舶以及航空航天等领域。实时控制系统作为六自由度运动平台运动的关键,已成为近年来研究热点。为了使六自由度运动平台能及时、精准地模拟各种飞行状态,本文研究了基于VxWorks实时操作系统的六自由度运动平台控制系统。本文首先对六自由度运动平台的运动学进行详细研究,主要针对运动平台位置反解和位置正解进行分析。首先建立了动坐标系和静坐标系之间转换的齐次坐标变换阵,然后推导出位置反解的解析解,并在运动学反解基础上推导出基于牛顿-泰勒数值迭代的位置正解算法,此方法收敛速度快,易于计算机编程实现。其次,在控制策略上采用基于运动学反解的复合PID控制器对六自由度运动平台单缸伺服系统进行控制。首先给出液压缸数学模型,然后基于该模型进行PID控制器的设计;针对液压控制系统阻尼比较低的问题,在PID控制基础上设计了动压反馈校正环节来提高控制系统阻尼和稳定性;针对控制系统带宽小的缺点,在动压反馈基础上设计了前馈补偿环节提高控制系统的带宽和动态性能。经过MATLAB控制仿真,设计的控制器满足要求。最后,基于VxWorks设计了一个六自由度运动平台实时控制系统,并分别对各模块进行实验对比与验证。首先设计了整个实时控制系统框架,对各任务安排、系统定时机机制及系统时间、任务间的数据交互分别进行设计;然后在VxWorks上实现了基于PCI/ISA总线的AD/DA数字板卡驱动程序编写,并对其精度和实时性进行验证;接着在VxWorks上对运动学位置正解/反解进行算法实现,与Simulink算法进行对比,并对其实时性进行验证;最后对控制策略进行离散化处理,在VxWorks上进行算法实现,与Simulink算法进行对比分析。各模块的实验对比与验证表明各模块设计算法的正确性同时满足实时性要求。
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