并联六自由度运动平台动力学分析及最优控制研究

论文摘要

飞行模拟器是一种用来模拟飞机空中飞行与地面运行的实时仿真系统。模拟器不仅可以给予学员真实的飞行驾驶感觉,而且较真机飞行更经济更安全。作为模拟座舱载体以及运动动感主要提供者的并联六自由度运动平台,是飞行模拟器非常重要的组成部分。动力学及最优控制问题是研制高性能的六自由度运动平台的关键。本文首先对六自由度运动平台的运动学和动力学进行了分析,采用牛顿-欧拉法建立了完整的闭环动力学方程。然后根据实验室已有的六自由度运动平台建立了ADAMS虚拟样机模型,并针对平台运动过程中分支驱动力对电机性能的影响进行了动力学分析,得到在电机最大允许承受力情况下平台的最大载荷。最后,为了从机械系统和控制系统多角度改善六自由度运动平台的性能,利用ADAMS/Control模块和MATLAB/Simulink模块建立了联合仿真平台,并在仿真平台上对六自由度运动平台分别在关节空间和任务空间应用了PD控制和计算力矩控制方法,不仅对同一控制方案中不同控制方法进行了比较,而且也对同一控制方法在不同控制方案中进行了比较。计算力矩控制考虑了动力学模型,比PD控制控制精度要高,但仿真时间较长,任务空间控制对动力学模型有效地进行了解耦,在控制精度及稳定性上都比关节空间控制要好,这为下一步提高六自由度运动平台控制系统性能打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景与意义
• 1.2 并联六自由度运动平台动力学及控制方法研究现状
• 1.2.1 动力学研究方法
• 1.2.2 控制方法的分类及特点
• 1.2.3 动力学与控制技术研究需解决的关键问题
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 六自由度运动平台运动学和动力学分析
• 2.1 引言
• 2.2 六自由度运动平台的结构和坐标系
• 2.3 运动学分析
• 2.3.1 位置分析
• 2.3.2 速度分析
• 2.3.3 加速度分析
• 2.4 动力学分析
• 2.4.1 参数转换
• 2.4.2 动力学公式
• 2.5 小结
• 第三章 虚拟样机模型的建立及动力学仿真
• 3.1 引言
• 3.2 六自由度运动平台的机构建模
• 3.3 虚拟样机模型的建立
• 3.3.1 CATIA 到ADAMS 模型的数据转换
• 3.3.2 虚拟样机模型的导入
• 3.4 ADAMS 动力学分析基本理论
• 3.4.1 ADAMS 动力学方程
• 3.4.2 ADAMS 动力学求解算法比较
• 3.5 动力学仿真
• 3.5.1 仿真方案的确定
• 3.5.2 动力学参数的确定
• 3.5.3 逆运动学仿真
• 3.5.4 确定驱动副输入函数
• 3.5.5 支链的驱动力
• 3.6 小结
• 第四章 用于控制系统调试的联合仿真平台的建立
• 4.1 引言
• 4.2 联合仿真原理
• 4.3 联合仿真平台的建立
• 4.4 联合仿真案例分析
• 4.4.1 平台调试
• 4.4.2 六自由度运动平台轨迹跟踪联合控制仿真
• 4.5 小结
• 第五章 六自由度运动平台优化控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 运动平台控制策略
• 5.3 任务空间控制
• 5.3.1 任务空间的PD 控制
• 5.3.2 任务空间的计算力矩控制
• 5.4 关节空间控制
• 5.4.1 关节空间PD 控制
• 5.4.2 关节空间的计算力矩控制
• 5.5 联合仿真分析
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文