并联运动模拟平台及其液压伺服系统的研究

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并联运动模拟平台是对飞机、战车、舰船、宇航和民用车辆设备进行动态研究的重要模拟试验设备,也是飞行员、驾驶员以及船员进行模拟训练的有力手段,是典型的人在回路实时仿真系统和虚拟现实的应用实例。并联运动模拟平台是由数字计算机实时控制的动感模拟设备,其系统性能的优劣将直接关系到运动模拟的逼真度,而并联运动系统的机构学理论及其控制系统的研究,是进行运动系统的结构优化设计、提高运动模拟器运动性能的关键技术。因此深入研究并联运动模拟平台系统的机构学理论及其控制策略具有十分重要的意义。 在查阅大量国内外有关文献的基础上,本文综述了国内外并联运动模拟平台的研究现状及发展趋势,分析了并联运动模拟平台的特点,阐述了并联运动系统的关键技术及研究现状,并对并联运动模拟平台应用作了介绍。 依据并联运动系统工作空间分析困难的现状,本文针对Stewart平台的结构尺寸与工作空间联接关系问题,采用分析铰点工作空间的方法,建立了工作空间大小与尺寸参数的联接关系表达式,使直接依据工作空间大小即可进行结构尺寸设计,并且依据铰点工作空间构造出Stewart平台位置可达工作空间,提出采用螺旋矢量分析分支干涉问题,为并联机构的结构设计及尺寸综合提供理论依据。 针对实际运动模拟中提出的大负载、高灵活度和运动复杂的实际工况要求,提出采用冗余构件多分支并联运动系统的结构型式,在利用达朗贝尔法推导多自由度运动系统动力学方程的基础上,提出应用追加正解正则方程的方法建立冗余构件多分支并联运动系统动力学解析方程。根据系统结构型式的特殊性,提出将基于初始种群渐进漂移的自适应改进模拟退火遗传算法应用于此系统,并进行六维轨迹寻优,为此类系统的运动学及动力学分析提供了新途径。 针对阀控缸系统的研究现状,对阀控非对称缸液压动力机构的负载流量和负载压力作了探讨。在此基础上,建立了阀(包括对称阀和非对称阀)控非对称缸动力机构的统一数学模型,推出系统的输出位移、负载压力及两工作腔压力的传递函数,分析了两种系统输出位移在正反向运动的不对称特性及换向瞬间的压力跃变。 针对液压六自由度并联运动平台的控制问题,本文从六自由度运动系统的动力学方程入手,在对系统负载交联耦合进行分析的基础上,考虑参数变化及负载耦合等因素对系统产生的不确定力干扰,设计了PD控制器加小波神经网络动力补偿器的控制策略,仿真与实验研究结果证明此方法能较好地补偿系统动力机构非对称性对运动过程的影响,可以提高系统响应快速性及抗负载扰动能力,很大程度上克服了系统的动力耦合及参数时变和未知力扰动带来的不利因素。 依据飞行模拟器六自由度运动系统的性能要求,本文针对实验样机设计了其计算机控制系统和控制软件。通过系统单通道伺服机构的实验研究,对阀控非对称动力机构理论进行了实验验证,同时运用PID及基于动力补偿的小波神经网络智能控制策略对运动系统整体运动特性进行实验研究,结果表明本文所阐述理论正确,采用的控制策略合理可行,所研制的飞行模拟器六自由度运动系统实验样机是成功的。
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