船舶运动模拟器控制技术研究

论文摘要

并联机构式船舶运动模拟器能够在实验室中将船舶在海洋中摇摆的姿态真实地再现出来,将舰载武器和设备放在运动模拟器上进行陆地实验,可以减少海上实验次数,具有安全性、经济性等优点,进行船舶运动模拟器关键技术研究具有重要意义。本课题主要对并联机构式船舶运动模拟器的系统设计、运动学、姿态工作空间和控制算法进行了研究。本文在查阅大量国内外文献的基础上,结合理论分析,根据船舶运动模拟器的设计指标,进行了机械结构和控制系统的总体设计。首先利用虚拟样机技术和参数分段组合优化方法进行了结构优化,采用工业计算机和运动控制卡相结合的方法建立了电动缸控制系统,设计了计算机控制软件,实现了船舶运动模拟器的位置伺服控制。在此基础上,进行了运动学分析,引入一种改进的欧拉角表示法,解决了常规欧拉角之间的耦合问题,完成了运动学反解和运动学正解,在一个圆柱坐标系中求解了姿态工作空间,并且进行了CP轨迹规划。然后,使用参数化设计方法,建立了系统的机电一体化多域仿真模型,并对模型进行了线性化。仿真模型完全在Simulink环境下构建,避免了使用不同软件进行联合仿真的软件接口问题,提高了设计效率。使用该模型可以进行运动学反解,轨迹规划和控制系统仿真,并且能够在多个控制器之间进行切换,便于比较控制效果。最后,设计了船舶运动模拟器的ADRC(Active Disturbance Rejection Control)控制器,对控制器的结构及其各个环节的功能进行了分析,使用S函数搭建了控制器的Simulink模型,基于三维立体图形分析法整定了ADRC的参数。通过比较PID和ADRC控制器的轨迹跟踪实验结果,表明ADRC控制器具有较高的稳态精度和抗干扰能力,能够较好的满足并联机构式船舶运动模拟器的运动控制要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 并联机构的国内外研究概况
• 1.3 并联机构运动学研究概况
• 1.4 并联机构控制算法的研究概况
• 1.4.1 自适应控制方法
• 1.4.2 智能控制方法
• 1.4.3 并联机构顺应性运动力控制方法
• 1.4.4 鲁棒控制理论
• 1.5 自抗扰控制器在并联机构控制中的应用
• 1.6 机电一体化仿真研究概况
• 1.7 本文的主要研究工作
• 第2章 船舶运动模拟器总体设计
• 2.1 船舶运动模拟器设计要求
• 2.2 船舶运动模拟器机构设计
• 2.2.1 关节铰链设计
• 2.3 基于虚拟样机技术的参数化设计
• 2.4 基于参数分段组合方法的结构优化
• 2.5 控制系统的硬件设计
• 2.5.1 控制系统的总体设计
• 2.5.2 控制系统硬件性能介绍
• 2.5.3 控制系统软件实现
• 2.6 本章小结
• 第3章 船舶运动模拟器运动学分析
• 3.1 运动学反解
• 3.1.1 改进的欧拉角
• 3.1.2 运动学反解算法
• 3.1.3 速度反解算法
• 3.2 运动学正解
• 3.3 工作空间求解
• 3.3.1 杆长约束
• 3.3.2 虎克铰转角约束
• 3.3.3 机构连杆的运动干涉
• 3.3.4 基于改进欧拉角的姿态工作空间求解
• 3.4 CP 轨迹规划
• 3.4.1 轨迹规划研究概况
• 3.4.2 并联机构CP 轨迹规划算法
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于Simulink 的多域仿真模型设计
• 4.1 机械系统建模
• 4.2 伺服电动缸建模
• 4.3 控制器模块库设计
• 4.4 轨迹规划模块设计
• 4.4.1 轨迹规划仿真
• 4.5 可视化仿真
• 4.6 模型线性化
• 4.7 本章小结
• 第5章 船舶运动模拟器控制算法研究
• 5.1 PID 控制器设计
• 5.1.1 PID 参数整定
• 5.1.2 PID 控制器仿真
• 5.1.3 基于PMAC 的PID 控制器实现
• 5.1.4 PID 控制器实验
• 5.2 并联机构自抗扰控制器设计
• 5.2.1 自抗扰控制技术发展概况
• 5.2.2 并联机构自抗扰控制器结构
• 5.2.3 被控对象方程
• 5.2.4 跟踪微分器（TD）
• 5.2.5 扩张状态观测器（ESO）
• 5.2.6 非线性校正
• 5.2.7 基于三维立体图形分析法的ADRC 参数整定
• 5.3 并联机构自抗扰控制器Simulink 仿真
• 5.4 并联机构自抗扰控制器实验
• 5.5 运用自抗扰控制技术的要点
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢
• 详细摘要