六自由度隔振平臺實驗系統(tǒng)主被動耦合減振控制方法研究.pdf

1、Stewart六自由度并聯(lián)平臺作為航天器精密測量儀器的減振機構(gòu)，其減振性能的好壞已成為當(dāng)前發(fā)展航天器在軌測量技術(shù)的主要課題。目前，Stewart六自由度并聯(lián)機構(gòu)是國內(nèi)外學(xué)者公認最為有效的減振裝置，其最突出優(yōu)點在于具有高剛度，定位準確，承載能力強，動態(tài)特性好等。到目前為止，應(yīng)用于實際的Stewart減振裝置為了安全可靠的要求，大部分偏于被動減振控制且取得了不朽的成果，而通過主動控制減振的Stewart平臺多年來一直成為國內(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)計和優(yōu)化了Stewart減振機構(gòu)性能，同時耦合主動減振控制法，采用壓電作動器作為主動控制元件應(yīng)用于Stewart六自由度并聯(lián)平臺，建立主動控制算法對振動的傳遞進行有效的衰減。
　　本論文以國防武器裝備預(yù)研重點基金項目“甚高分辨率××減/隔振總體設(shè)計方法”(9140A2011QT48)為依托，建立了基于壓電作動器作為主動元件的Stewart六自由度減/隔振平臺，采

3、用數(shù)值仿真優(yōu)化與實驗相結(jié)合的方法，通過研究壓電作動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Stewart減/隔振平臺，并通過每個作動器運行時加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)判別控制信號的混沌特性，同時根據(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航天器在軌減振控制具有重要的理論與應(yīng)用價值，而且對今后更深入的研究具有重要參考價值。本文的主要創(chuàng)新點可以歸納為：
　　(1)針對Stewart六自由度并聯(lián)減/隔振平臺的主動減

4、振元件壓電作動器具有的遲滯特性，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法及兩者的線性疊加法來計算Preisach遲滯模型加權(quán)值，其訓(xùn)練樣本來自于FORCs試驗曲線并根據(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)合二次多項式插值法建立壓電遲滯模型，并通過對比分析和仿真驗證對遲滯外環(huán)和遲滯內(nèi)環(huán)進行誤差分析，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的線性疊加法具有更高的準確度和精度，表明了該理論模型與壓電作動器的實際工作情況吻合較好。
　　(2)針對壓電作動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象，采用了混沌優(yōu)化理論對權(quán)函數(shù)進行全局優(yōu)化，最終確定優(yōu)化后

6、的廣義被控對象及 H∞魯棒控制器。應(yīng)用Simulink軟件建立仿真模型，通過對比優(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刻超調(diào)量較小，且振蕩不明顯，能很快達到穩(wěn)定；在有噪聲輸入時，系統(tǒng)的輸出量變化平緩，超調(diào)量較小，過渡時間也較短，系統(tǒng)可以很快地恢復(fù)到穩(wěn)定值，對于施加的干擾噪聲也有很好的抑制作用，試驗結(jié)果驗證了該控制器的有效性。
　　(3)為使Stewart六自由度并聯(lián)平臺能達到優(yōu)秀的

7、減振性能，針對建立的Stewart六自由度并聯(lián)平臺的動力學(xué)和運動學(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)立的條件進行仿真優(yōu)化，確定了最終的被動減振模型。并以此模型進行了動力學(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下上端平臺的位移情況、速度情況和加速度情況。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化后的減/隔振平臺具有更優(yōu)秀的減振性能，有效的衰減了底端平臺

8、的振動擾動，為后續(xù)的主動控制提供了設(shè)計基礎(chǔ)，也能保證主動控制失效后具有較好的減振性能。
　　(4)為解決平臺的反饋控制問題，利用混沌理論對壓電作動器的加速度試驗數(shù)據(jù)進行混沌判別，得到了各個作動器的關(guān)聯(lián)維數(shù)及飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)，且求解加速度時間序列最大Lyapunov指數(shù)來驗證此時間序列的混沌特性，最后計算了加速度時間序列 Kolmogorov熵，辨識了系統(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