3-PPR并联伺服平台动力学参数辨识与控制策略研究

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在某大型激光装置的实验过程中,大量的下装类光机模块需被安装至激光装置的光学路径中。根据模块的装校特点,设计了一套6自由度的精密装校系统,而3-PPR并联伺服平台是其实现平面位姿调整的核心组成部件。为顺利完成装校任务并保证模块的安装精度,3-PPR并联伺服平台的平面位姿跟踪性能需达到较高的要求,然而,系统参数不确定性和装校过程中的外界干扰为平台的高精度控制带来了挑战。另外,并联伺服平台是一类多轴控制系统,各关节运动的协同性也是影响平台位姿跟踪精度的重要的因素。本文以3-PPR并联伺服平台为研究对象,对其进行了动力学参数辨识与控制策略方面的研究,主要内容归纳如下:首先,建立了3-PPR并联伺服平台的运动学和动力学模型。在运动学分析的基础上结合Lagrange方程推导机构本体的动力学模型,同时给出驱动系统动力学模型,二者联立建立了平台包含驱动系统的动力学模型。其次,基于加权最小二乘法对3-PPR并联伺服平台包含驱动系统的动力学模型进行了参数辨识研究。由数学推导得到模型关于待辨识参数的线性化形式;以五次多项式改进的傅里叶级数作为平台末端的激励轨迹,并采用遗传算法以观测矩阵条件数最小为指标优化其系数。搭建参数辨识仿真和实验模型,不仅辨识出了机构本体的惯性参数与关节摩擦参数,还辨识出了驱动系统的部分参数。再次,针对3-PPR并联伺服平台受到扰动后各轴运动不协同而导致轨迹跟踪精度降低的问题,设计了一种基于同步误差的鲁棒控制器。借以“虚拟电机”的思想,将3实轴的运动误差信息通过虚轴建立联系,定义了各轴的的同步误差,据此设计鲁棒控制器使3轴的跟踪误差和同步误差均能渐进收敛。通过仿真分析发现,采用该控制策略可以提高各轴的非线性同步性能,有效提高系统协同性。最后,基于倍福运动控制器搭建了3-PPR并联伺服平台的验证样机,设计了两组轨迹跟踪实验,以对比基于同步误差的鲁棒控制器与传统的计算力矩控制器的轨迹跟踪性能。通过实验表明,基于同步误差的鲁棒控制策略具有更小的跟踪误差,鲁棒性较强,且使系统工作在更加协同的状态,采用该控制策略可以满足实际装校过程中的控制需求。
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