论文摘要
舰船在航行过程中,由于受到风浪等环境条件的影响,会产生横摇、纵摇、艏摇和升沉等运动,并且各种装备通常与舰船固连在一起,这些运动将造成装备指向的改变。稳定跟踪平台用于隔离舰船的运动并实现高性能跟踪运动,具有重大战略意义。现有研究都是针对采用串联结构的小负载稳定跟踪平台进行,本文首次系统深入地研究并联型稳定跟踪平台,从原理、特性、优化和控制等方面进行,主要内容如下:第一章,在查阅国内外相关研究文献的基础上,综述了现有稳定跟踪平台的结构形式和应用现状,简要介绍了并联机构的特点及应用,总结了并联机构的构型、工作空间、性能指标、尺度优化和控制策略等方面的研究现状,阐述了本课题的相关研究背景及意义,提出主要研究工作。第二章,建立并联型稳定跟踪平台的运动学和动力学模型。首先介绍了并联型稳定跟踪系统的构成,设计出新型4TPS-1PS并联平台结构。建立了考虑电、机、气特性的稳定跟踪平台单支链模型。推导出并联型稳定跟踪控制指令求解公式,建立平台的运动学模型,提出一种实时解析正解和一种基于Newton-Raphson方法的数值正解方法。建立静基座平台动力学模型,分析了动、静基座平台动力学模型的相同点与不同点,得到动基座动力学模型,仿真分析了载体扰动对各缸作用力的影响。第三章,对并联型稳定跟踪平台的工作特性进行研究。对平台执行机构—伺服电动缸特有的气阻特性进行仿真分析,绘制伺服电动缸的速度-输出力特性曲线。阐述完全可达工作空间概念,采用完全可达转动工作空间评价4TPS-1PS并联平台的工作空间。利用几何方法分析平台的理论极限转角,并提出完全可达转动空间的快速求解方法,计算得到平台样机的完全可达转动工作空间。提出平台速度、输出力的快速求解方法。分析得出并联型稳定跟踪平台的工作空间具有范围大且对称的特点,其输出速度和广义力具有幅值大且随位姿变化小的优点。第四章,研究并联型稳定跟踪平台的性能指标和尺度优化。推导出加权全局条件数、平台装机功率等性能指标的表达式,分析了各性能指标与结构参数的关系。以并联型稳定跟踪平台装机功率作为直接优化目标,以其他性能指标为约束条件,采用遗传算法对平台进行优化,仿真表明,以此指标优化的平台结构可以较大幅度地降低装机功率,并且满足其他性能指标要求.第五章,对并联型稳定跟踪平台的控制策略进行研究。首先对准闭环PID控制进行了探讨分析;然后提出一种位姿大闭环控制策略,将平台作为一个整体,直接对平台的位姿进行闭环控制,不对单个缸进行位置闭环控制。利用滑模变结构理论设计位姿大闭环鲁棒控制器。仿真结果表明该控制策略基本消除了各缸动态性能不一致引起的耦合误差,实现了各缸间的精确协同。针对稳定跟踪的特点和需求,引入计算扰动力补偿改进控制策略。仿真结果表明该控制策略有效消除了载体扰动和外部干扰及动力学模型误差的影响,可获得较高的稳定隔离度和稳定跟踪控制精度,鲁棒性好。第六章,稳定跟踪控制实验研究。建立了并联型稳定跟踪平台实验装置,设计了控制系统的硬件和软件。利用并联六自由度电液伺服平台模拟舰船运动,在实验室内进行稳定跟踪控制实验。进行了平台的功能性实验,验证平台软硬件设计的正确性和合理性。应用第五章设计的控制策略进行跟踪、稳定及稳定跟踪控制实验研究,测试出平台的精度及性能,验证了控制策略的有效性。第七章,总结本论文的主要工作,阐述研究结论和创新点,对并联型稳定跟踪平台的后续研究作出了展望。
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