运输工况运动模拟器控制系统的研究

论文摘要

随着我国工业化进程的加快,各种危化品运输的安全形势非常严峻,因此近年来,我国开展了针对各种危化品在运输中的安全监测与跟踪微系统技术的研究。然而,在安全监测与跟踪系统试验阶段,目前的测试方法集中在实施真实的罐车陆路或海上船运测试,这种方法具有真实性,但同时具有测试周期长、成本高、风险性大、工作强度大等缺点。本课题基于国家863计划重点项目“面向安全监测与跟踪的网络化微系统”的子课题“危化品运输工况仿真与模拟技术”,针对真实测试方法的不足,通过设计一个六自由度并联运动模拟器来模拟罐箱车在道路上的行驶状况,对危化品运输工况进行仿真与模拟研究。本文通过理论分析、仿真及实验的方法完成了六自由度并联运动模拟器控制系统的设计。首先,利用影响系数法对模拟器机构进行运动学逆向分析,建立了上平台工作点与各个电机轴在位姿、速度、加速度之间的映射关系,这是实现对各轴电机运动控制的基础。为了验证数学推导的正确性,利用Adams建立模拟器机构的机械模型,进行运动学、动力学仿真,并与前面理论分析结果比较;然后利用Adams/Controls模块联合Adams和Matlab,完成模拟器虚拟仿真平台的建立,实现对模拟器的动态控制联合仿真,分析了数字PID算法的控制特性以及采样周期对控制效果的影响,为实际系统的搭建提供了理论依据。根据理论及仿真分析的结果,实际构建了基于超高速工业以太网EtherCAT的六自由度并联运动模拟器控制系统,利用Beckhoff自动化系统提供的TwinCAT NC软件开发环境编写了实际控制程序。最后,在搭建的硬件平台上进行实验调试,实现了对模拟器6个电机的同步运动控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 运动模拟器的发展及国内外研究现状
• 1.3 运动模拟器的驱动控制方式
• 1.4 多轴同步控制技术
• 1.5 联合仿真技术
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 运动模拟器的运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 机构描述与位姿逆解
• 2.2.1 机构描述
• 2.2.2 机构位姿逆解
• 2.3 速度映射关系建立
• 2.3.1 建立单支链转动速度一阶影响系数矩阵
• 2.3.2 建立单支链移动速度一阶影响系数矩阵
• 2.3.3 建立模拟器单支链速度一阶影响系数矩阵
• 2.3.4 建立模拟器机构速度映射关系
• 2.4 加速度映射关系建立
• 2.4.1 建立单支链转动加速度二阶影响系数矩阵
• 2.4.2 建立单支链移动加速度二阶影响系数矩阵
• 2.4.3 建立模拟器单支链加速度二阶影响系数矩阵
• 2.4.4 建立模拟器机构加速度映射关系
• 2.5 基于样条插值的主动件加速度求解的数值简化
• 2.6 本章小结
• 第3章 模拟器虚拟仿真平台设计
• 3.1 引言
• 3.2 Adams虚拟建模与分析
• 3.2.1 模拟器虚拟样机建模
• 3.2.2 运动学仿真及分析
• 3.2.3 动力学仿真及分析
• 3.3 基于Adams和Matlab的动态控制联合仿真
• 3.3.1 联合仿真概述
• 3.3.2 模型输入输出变量
• 3.3.3 建立控制系统模型
• 3.3.4 仿真及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统硬件设计
• 4.2.1 总体解决方案
• 4.2.2 硬件组成
• 4.3 控制系统软件设计
• 4.3.1 软件环境概述
• 4.3.2 控制程序设计
• 4.4 系统仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验及结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 前期设置及调整
• 5.2.1 驱动器基本设置
• 5.2.2 电流环和速度环调节
• 5.3 电机控制实验及分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢