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随着科学技术的发展,精密仪器仪表、精密加工设备、光学有效载荷等振敏设备对力学环境提出了更高的要求。为了减小多维低频振动造成的负面影响,具有六自由度运动能力的Stewart主动隔振平台近年来引起了广泛的关注。Stewart主动隔振平台是一个存在不确定性、强耦合性、高度非线性的多输入多输出系统,其控制问题非常复杂。本文从对单杆主动隔振平台的研究入手,进而推广到对Stewart主动隔振平台的研究,采用神经网络控制作为主要控制方法,分别针对单一方向和六个自由度方向的低频振动主动控制问题展开了研究。
首先,阐述了Stewart主动隔振平台的研究意义,对它的研究现状进行了综述,并对主要的振动主动控制方法进行了总结。
第二,将单杆主动隔振平台的振动主动控制问题转化为一个优化控制问题来处理。针对该隔振平台的线性模型,提出了一种单网络自适应评价振动主动控制器,并设计了离线和在线两种训练算法。进一步考虑该隔振平台中的非线性因素,针对其非线性模型,提出了一种双启发式动态规划振动主动控制器。仿真研究验证了这两种振动主动控制器对单一方向振动抑制的有效性。此外,采用音圈电机作为作动器,搭建了单杆主动隔振平台的原型样机并进行了系统性能测试实验。
第三,考虑振动对下平台运动的影响,利用Kane方程建立了Stewart主动隔振平台在工作空间中的动力学模型。在动力学模型的推导过程中,考虑了各支杆运动产生的附加惯性力和惯性力矩对上平台动态特性的影响,进而推导得到针对隔振应用的较完整的系统动力学模型。
第四,针对Stewart主动隔振平台的振动控制问题,提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的稳定自适应控制器。基于e1-修正算法设计了RBF神经网络的权值矩阵、高斯基函数中心和宽度的在线自适应调节律。并且应用Lyapunov稳定性理论证明了在扰动力和神经网络逼近误差有界的条件下,整个闭环控制系统为一致最终有界稳定。基于Stewart主动隔振平台的动力学模型进行了仿真研究,结果表明该控制器能够有效抑制六个自由度方向的低频振动。
第五,基于考虑音圈电机动态特性和模型不确定性的Stewart主动隔振平台的动力学模型,提出了一种基于RBF神经网络的扰动观测器,并进一步结合反推(Backstepping)设计方法,提出了一种六自由度振动主动控制器。在模型存在不确定性的情况下,整个闭环控制系统的一致最终有界稳定性可通过Lyapunov理论得到保证。并通过仿真验证了该振动主动控制器的有效性。
最后,对本文所取得的研究成果进行了总结,并指出了需要进一步开展的工作。