六自由度隔振平臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主被動(dòng)耦合減振控制方法研究.pdf

1、Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)作為航天器精密測(cè)量?jī)x器的減振機(jī)構(gòu)，其減振性能的好壞已成為當(dāng)前發(fā)展航天器在軌測(cè)量技術(shù)的主要課題。目前，Stewart六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者公認(rèn)最為有效的減振裝置，其最突出優(yōu)點(diǎn)在于具有高剛度，定位準(zhǔn)確，承載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性好等。到目前為止，應(yīng)用于實(shí)際的Stewart減振裝置為了安全可靠的要求，大部分偏于被動(dòng)減振控制且取得了不朽的成果，而通過主動(dòng)控制減振的Stewart平臺(tái)多年來一直成為國(guó)內(nèi)外研究者探討和研

2、究的重要課題之一，且已取得一定的成就。為了兼顧可靠性及減振性能，本文設(shè)計(jì)和優(yōu)化了Stewart減振機(jī)構(gòu)性能，同時(shí)耦合主動(dòng)減振控制法，采用壓電作動(dòng)器作為主動(dòng)控制元件應(yīng)用于Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)，建立主動(dòng)控制算法對(duì)振動(dòng)的傳遞進(jìn)行有效的衰減。
　　本論文以國(guó)防武器裝備預(yù)研重點(diǎn)基金項(xiàng)目“甚高分辨率××減/隔振總體設(shè)計(jì)方法”(9140A2011QT48)為依托，建立了基于壓電作動(dòng)器作為主動(dòng)元件的Stewart六自由度減/隔振平臺(tái)，采

3、用數(shù)值仿真優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過研究壓電作動(dòng)器遲滯特性并建立相應(yīng)控制單元的基礎(chǔ)上應(yīng)用于經(jīng)過優(yōu)化后的被動(dòng)Stewart減/隔振平臺(tái)，并通過每個(gè)作動(dòng)器運(yùn)行時(shí)加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)判別控制信號(hào)的混沌特性，同時(shí)根據(jù)混沌特性建立相應(yīng)的控制規(guī)律。本課題研究成果不僅對(duì)航天器在軌減振控制具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值，而且對(duì)今后更深入的研究具有重要參考價(jià)值。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)可以歸納為：
　　(1)針對(duì)Stewart六自由度并聯(lián)減/隔振平臺(tái)的主動(dòng)減

4、振元件壓電作動(dòng)器具有的遲滯特性，在Preisach遲滯模型理論基礎(chǔ)上分別引入了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊最小二乘支持向量機(jī)法及兩者的線性疊加法來計(jì)算Preisach遲滯模型加權(quán)值，其訓(xùn)練樣本來自于FORCs試驗(yàn)曲線并根據(jù)傳統(tǒng)的Preisach離散遲滯建立法確定初始的遲滯單元加權(quán)值作為輸出及遲滯單元在α-β平面中電壓坐標(biāo)作為輸入，并以此結(jié)合二次多項(xiàng)式插值法建立壓電遲滯模型，并通過對(duì)比分析和仿真驗(yàn)證對(duì)遲滯外環(huán)和遲滯內(nèi)環(huán)進(jìn)行誤差分析，結(jié)果表明了R

5、BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與模糊最小二乘支持向量機(jī)的線性疊加法具有更高的準(zhǔn)確度和精度，表明了該理論模型與壓電作動(dòng)器的實(shí)際工作情況吻合較好。
　　(2)針對(duì)壓電作動(dòng)器遲滯模型在建模及控制過程中具有的外部不確定性和內(nèi)部不確定性，引入H∞魯棒智能控制方法，包括了混合靈敏度的設(shè)計(jì)及優(yōu)化問題和加權(quán)函數(shù)的選取規(guī)則。通過建立的壓電遲滯模型建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于H∞魯棒智能控制器來確定廣義被控對(duì)象，采用了混沌優(yōu)化理論對(duì)權(quán)函數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化，最終確定優(yōu)化后

6、的廣義被控對(duì)象及 H∞魯棒控制器。應(yīng)用Simulink軟件建立仿真模型，通過對(duì)比優(yōu)化前后的H∞魯棒控制器及傳統(tǒng)的PID控制器得出，基于H∞魯棒控制理論的仿真模型在初始時(shí)刻超調(diào)量較小，且振蕩不明顯，能很快達(dá)到穩(wěn)定；在有噪聲輸入時(shí)，系統(tǒng)的輸出量變化平緩，超調(diào)量較小，過渡時(shí)間也較短，系統(tǒng)可以很快地恢復(fù)到穩(wěn)定值，對(duì)于施加的干擾噪聲也有很好的抑制作用，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制器的有效性。
　　(3)為使Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)能達(dá)到優(yōu)秀的

7、減振性能，針對(duì)建立的Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，建立了系統(tǒng)的彈簧剛度和阻尼系數(shù)多目標(biāo)函數(shù)，在設(shè)計(jì)變量的取值范圍內(nèi)，設(shè)定優(yōu)化的約束條件及相應(yīng)的權(quán)系數(shù)，根據(jù)設(shè)立的條件進(jìn)行仿真優(yōu)化，確定了最終的被動(dòng)減振模型。并以此模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，得到了系統(tǒng)的固有頻率和頻響特性曲線，也得到了在特定擾動(dòng)下上端平臺(tái)的位移情況、速度情況和加速度情況。通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化后的減/隔振平臺(tái)具有更優(yōu)秀的減振性能，有效的衰減了底端平臺(tái)

8、的振動(dòng)擾動(dòng)，為后續(xù)的主動(dòng)控制提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，也能保證主動(dòng)控制失效后具有較好的減振性能。
　　(4)為解決平臺(tái)的反饋控制問題，利用混沌理論對(duì)壓電作動(dòng)器的加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行混沌判別，得到了各個(gè)作動(dòng)器的關(guān)聯(lián)維數(shù)及飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)，且求解加速度時(shí)間序列最大Lyapunov指數(shù)來驗(yàn)證此時(shí)間序列的混沌特性，最后計(jì)算了加速度時(shí)間序列 Kolmogorov熵，辨識(shí)了系統(tǒng)的混沌程度。根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該反饋控制問題為非線性控制問題，為后續(xù)控制方法的確立奠定了