本文關(guān)鍵詞：六自由度微重力模擬平臺的構(gòu)型優(yōu)化和控制方案研究

  更多相關(guān)文章： 微重力模擬 Stewart平臺 并聯(lián)驅(qū)動 動力學(xué) 多目標優(yōu)化 NSGA-2 壓力控制 模糊PID

【摘要】：隨著航天技術(shù)水平的不斷發(fā)展和提高,各種航天設(shè)備的工作要求也變得愈加復(fù)雜而精細。由于受力環(huán)境的不同,航天設(shè)備在宇宙太空中的動力學(xué)特性與在地球表面截然不同,因此,為了保證航天設(shè)備在軌運行的可靠性,需要對航天設(shè)備所處的微重力力學(xué)環(huán)境進行模擬。本文針對國內(nèi)外不同類型的微重力模擬方式做了分析對比,總結(jié)了各種模擬方式的優(yōu)缺點,并據(jù)此提出了以六維Stewart構(gòu)型為基本機構(gòu)形式的半物理仿真系統(tǒng),進而模擬空間六維的微重力環(huán)境。為了對機構(gòu)設(shè)計、尺寸優(yōu)化以及控制策略分析提供理論依據(jù),對微重力模擬試驗平臺的反向運動學(xué)進行了分析計算,然后采用凱恩方法建立了該平臺的逆向動力學(xué)模型,并將動力學(xué)的計算結(jié)果以成矩陣的形式表達,進而提升計算效率。編寫了相應(yīng)的動力學(xué)計算程序,并進行了相關(guān)的仿真驗證。根據(jù)微重力實驗平臺最小工作范圍、高精度和高負載的要求,提出了球形工作空間半徑、全局靈巧度和全局負載指數(shù)這三個目標函數(shù)。為了保證平臺運動性能和動態(tài)特性與結(jié)構(gòu)尺寸的量綱無關(guān),對平臺雅可比矩陣進行了無量綱化操作。針對三個性能指標,采用多目標進化算法NSGA-2對平臺的構(gòu)型參數(shù)進行了優(yōu)化。微重力模擬主要原理是通過力傳感器測量實驗物體受到的外力和外力矩,并據(jù)此實時計算模擬目標在此負載下的運動規(guī)律,然后驅(qū)動六自由度平臺來復(fù)現(xiàn)此運動規(guī)律。為了實現(xiàn)高負載,高精度的微重力模擬,提出了采用氣缸與電機滾珠絲杠并聯(lián)作為六維微重力平臺支腿的方案。其中,氣缸主要負責(zé)補償實驗物體的重力,電機驅(qū)動滾珠絲杠來實時控制整個平臺的跟隨運動。對六維微重力模擬試驗平臺單支腿的控制策略進行了相關(guān)的研究分析。通過計算支腿氣動壓力控制系統(tǒng)的非線性方程,在MATLAB/Simulink完成氣動壓力系統(tǒng)搭建。對支腿的氣動壓力系統(tǒng)分別采取PID與模糊PID控制方法進行了仿真、分析、對比,驗證了模糊PID對氣壓控制的有效性。最后,對電機滾珠絲杠進行初步的仿真驗證,初步驗證了氣缸與滾珠絲杠并聯(lián)的支腿系統(tǒng)實現(xiàn)微重力模擬的可行性。
【關(guān)鍵詞】：微重力模擬 Stewart平臺 并聯(lián)驅(qū)動 動力學(xué) 多目標優(yōu)化 NSGA-2 壓力控制 模糊PID
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V416.8
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 注釋表10-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 課題研究背景與意義11
• 1.2 微重力模擬方法的發(fā)展現(xiàn)狀11-15
• 1.2.1 建立失重環(huán)境11-12
• 1.2.2 利用平衡力補償重力12-14
• 1.2.3 半物理仿真模擬14-15
• 1.3 六維微重力模擬平臺關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3.1 Stewart機構(gòu)15-16
• 1.3.2 氣動壓力控制16-17
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容17-19
• 第二章 六維微重力模擬平臺的運動學(xué)和動力學(xué)建模與分析19-33
• 2.1 引言19
• 2.2 運動學(xué)分析19-25
• 2.2.1 平臺構(gòu)型概述19-21
• 2.2.2 位置反解21-22
• 2.2.3 平臺各構(gòu)件的速度22-24
• 2.2.4 平臺各構(gòu)件的加速度24-25
• 2.3 雅可比矩陣25-26
• 2.4 動力學(xué)分析26-31
• 2.4.1 凱恩方法介紹26-28
• 2.4.2 偏速度計算28-29
• 2.4.3 廣義主動力和廣義慣性力的計算29-30
• 2.4.4 支腿驅(qū)動力計算30-31
• 2.5 凱恩方法建模的仿真驗證31-32
• 2.6 本章小結(jié)32-33
• 第三章 六維微重力模擬平臺構(gòu)型參數(shù)的多目標優(yōu)化33-54
• 3.1 引言33
• 3.2 性能指標33-45
• 3.2.1 工作空間34-38
• 3.2.2 靈巧度38-40
• 3.2.3 負載能力指數(shù)40
• 3.2.4 無量綱化的雅可比矩陣40-45
• 3.3 多目標優(yōu)化算法NSGA-245-48
• 3.3.1 多目標優(yōu)化的基本概念45-46
• 3.3.2 NSGA-2 算法流程46-48
• 3.4 平臺的構(gòu)型參數(shù)優(yōu)化48-52
• 3.4.1 設(shè)計變量的分析48-50
• 3.4.2 優(yōu)化計算50-52
• 3.5 本章小結(jié)52-54
• 第四章 微重力模擬平臺支腿控制策略研究54-75
• 4.1 引言54
• 4.2 六維微重力模擬試驗平臺系統(tǒng)介紹54-58
• 4.2.1 系統(tǒng)概述54-55
• 4.2.2 平臺工作原理介紹55-56
• 4.2.3 模擬目標與上平臺的位姿計算56-57
• 4.2.4 支腿系統(tǒng)構(gòu)成57-58
• 4.3 支腿的氣動壓力控制58-72
• 4.3.1 氣壓控制系統(tǒng)概述58-59
• 4.3.2 支腿氣壓控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)59-65
• 4.3.3 支腿氣動系統(tǒng)PID控制65-68
• 4.3.4 支腿氣動系統(tǒng)模糊PID控制器設(shè)計68-72
• 4.4 電機滾珠絲杠控制72-74
• 4.5 本章小結(jié)74-75
• 第五章 總結(jié)與展望75-77
• 5.1 總結(jié)75-76
• 5.2 展望76-77
• 參考文獻77-81
• 致謝81

【參考文獻】

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本文編號：978332