柔性支撑Stewart平台的分析、优化与控制研究

论文摘要

本文依托国家自然科学基金“巨型射电天文望远镜(FAST)总体设计与关键技术研究”重点项目,针对超大型柔索驱动并联机器人难以满足馈源跟踪精度要求的难题,探讨了六自由度Stewart平台作为二级精调稳定机构、实现FAST馈源支撑与指向跟踪系统空间高精度动态定位、指向和轨迹跟踪的关键性问题。对Stewart平台的机电综合伺服带宽、构型优化设计、软硬件实现、机构标定和运动控制进行了深入研究,通过FAST50m缩尺现场模型进行了实验验证。主要工作及创造性成果如下:1.定义了具有明确物理意义的机电综合伺服带宽,给出了对Stewart平台机电一体化系统响应快速性的评价方法。从Stewart平台机构的运动学和动力学角度,分析了决定其伺服带宽的机械和控制因素,得出了在选定Stewart平台构型参数、驱动支腿的动力学性能和虎克铰、球铰的负载能力的情况下,求解伺服带宽的通用方法,并进行了算例分析。2.建立了综合衡量机构运动学、动力学性能和动力学耦合程度的Stewart平台构型设计多目标优化模型,采用实值编码的自适应遗传算法,对Stewart平台的优化问题进行了求解。得到了在满足灵活工作空间和机电综合伺服带宽的前提下,具有更高灵巧度和更弱动力学耦合作用的设计参数。3.构建了基于SynqNet同步多轴网络控制器的Stewart平台软、硬件控制系统,实现了馈源平台的典型轨迹动态跟踪控制。采用具有运动平滑作用的梯形速度模式进行了固定基座Stewart平台的典型轨迹规划与实现,针对建造的Stewart平台,进行了工作空间、静态定位精度、动态轨迹跟踪精度和机电综合伺服带宽的实验研究,验证了Stewart平台优化设计结果的有效性。4.提出了基于并联机构学原理的三维机动目标解耦跟踪预测算法,为克服馈源舱在外部扰动(风荷和动力学耦合)和内部摄动(柔索系统的柔性、滞后和铰链的摩擦等)作用下的位移响应对馈源平台定位指向的影响奠定了基础。该算法构造了具有良性条件数的虚拟Stewart平台,采用非线性跟踪微分器在其解耦的关节空间进行支腿长度的跟踪预测,进而通过虚拟Stewart平台的位置正解实现了对馈源舱运动位姿的跟踪预测,算例分析证实了所提出算法的高精度和实时性。5.设计了自适应交互PID监督控制器,解决了柔性支撑Stewart平台的控制难题。引入自适应交互算法解决了PID参数的实时调整,用以产生柔性支撑Stewart平台的规划级控制量,在电动缸执行级采用带前馈的数字PID伺服滤波器完成电动缸的高精度轨迹跟踪,改善了馈源舱和Stewart平台耦合系统控制过程的动态性能。FAST50m模型现场实验表明,结合解耦预测算法对馈源舱的运动预测,自适应交互PID监督控制器效果明显,确保了馈源支撑与指向跟踪系统在以期望的跟踪速度运行时,定位和指向精度完全满足控制要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题背景和意义
• 1.2 并联机器人的研究现状与发展趋势
• 1.2.1 并联机器人的起源与发展
• 1.2.2 并联机器人的研究现状
• 1.2.3 并联机器人的发展趋势
• 1.3 柔性基座机器人控制的研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 Stewart 平台机电综合伺服带宽分析
• 2.1 引言
• 2.2 机电综合伺服带宽的定义
• 2.3 机电综合伺服带宽的确定
• 2.3.1 Stewart 平台的逆运动学、逆动力学模型
• 2.3.2 电动缸的伺服带宽
• 2.3.3 机电综合伺服带宽的数值解法
• 2.4 机电综合伺服带宽算例分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于自适应遗传算法的Stewart 平台多目标优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 齐次量纲雅可比矩阵
• 3.3 Stewart 平台的优化模型
• 3.3.1 优化模型的建立准则
• 3.3.2 设计变量
• 3.3.3 约束条件
• 3.3.4 目标函数
• 3.4 自适应遗传算法
• 3.4.1 标准遗传算法
• 3.4.2 实值编码遗传算法
• 3.4.3 基于种群适应度标准差的自适应算法
• 3.5 基于自适应遗传算法的多目标优化问题求解
• 3.6 优化设计结果分析
• 3.6.1 工作空间
• 3.6.2 运动精度
• 3.6.3 机电综合伺服带宽
• 3.7 本章小结
• 第四章 固定基座Stewart 平台的运动控制与实验
• 4.1 引言
• 4.2 基于SynqNet 的Stewart 平台网络控制系统设计方案
• 4.2.1 Stewart 平台控制系统硬件设计
• 4.2.2 Stewart 平台控制系统软件设计
• 4.3 固定基座Stewart 平台的运动规划
• 4.3.1 运动控制的逻辑结构
• 4.3.2 典型轨迹规划
• 4.3.3 梯形曲线运动模式
• 4.3.4 复杂轨迹的平滑起停技术
• 4.4 Stewart 平台的标定和校准
• 4.4.1 铰链中心位置的标定
• 4.4.2 平台基准位姿的校准
• 4.5 固定基座 Stewart 平台的运动控制实验
• 4.5.1 典型位姿静态定位实验
• 4.5.2 典型轨迹动态跟踪实验
• 4.5.3 机电综合伺服带宽实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 三维机动目标的解耦跟踪预测
• 5.1 引言
• 5.2 宏微并联机构复合预测控制律
• 5.3 三维机动目标的传统预测方法
• 5.4 三维机动目标的解耦跟踪预测
• 5.4.1 构造具有良性条件数的虚拟Stewart 平台
• 5.4.2 虚拟Stewart 平台支腿长度的跟踪与预测
• 5.4.3 虚拟Stewart 平台的实时位置正解算法
• 5.5 馈源舱跟踪预测算例分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 柔性支撑Stewart 平台的运动控制与实验
• 6.1 引言
• 6.2 柔性支撑Stewart 平台模型
• 6.2.1 柔性支撑Stewart 平台室内实验模型
• 6.2.2 柔性支撑Stewart 平台室外实验模型
• 6.2.3 馈源平台的轨迹规划策略
• 6.3 柔性支撑Stewart 平台自适应交互PID 监督控制
• 6.3.1 自适应交互算法
• 6.3.2 自适应交互PID 监督控制
• 6.4 柔性支撑Stewart 平台的控制仿真
• 6.4.1 机电一体化仿真模型
• 6.4.2 仿真结果及分析
• 6.5 柔性支撑Stewart 平台的控制实验
• 6.5.1 实验一：抗扰动定点控制实验
• 6.5.2 实验二：抗扰动直线运动实验
• 6.5.3 实验三：空间圆周跟踪实验
• 6.5.4 实验四：天文观测曲线跟踪实验
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果