基于并联六自由度电液伺服机构的单自由度力控制研究
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摘要
并联六自由度机构因其承载能力强、结构刚度好、响应快和控制精度高等一系列突出优点而在飞行模拟器、空间对接模拟、驾驶模拟训练、船载和车载运动模拟等领域得到了广泛应用。目前研究并联六自由度机构的输出通常为位姿，而将输出作为力的却很少，尤其是将其用于广义加载方面，尚未见到相关研究的报道。针对这一领域的空白和实际的需求，本文将并联六自由度电液伺服机构输出看作广义力而不是位姿进行伺服控制，对其单自由度力控制进行探索性研究，这在国内外都是一种新的尝试。论文研究了并联六自由度机构力加载系统的原理和结构；系统分析了单自由度力控制原理和控制方法；设计并建立了基于并联六自曲度电液伺服机构的单自由度力控制实验系统并进行了实验研究。主要内容如下：
第一章概述了国内外并联六自由度机构的发展和研究状况，阐述本课题的研究意义和背景，给出本论文所要开展的主要研究工作。
第二章阐述了基于并联六自由度机构的广义加载系统的原理和结构。对力学模型进行理论研究，推导出并联六自由度机构的广义输出力公式，分析了广义输出力的影响因素，并针对并联六自由度机构单自由度力加载特性进行了研究分析。
第三章提出了并联机构的单缸输出力小闭环和平台输出力大闭环的单自由度力控制方法。建立了单缸力控制系统数学模型，并推导出系统的传递函数和控制框图。
第四章建立了单缸力和并联六自由度电液伺服机构单自由度力控制系统仿真模型。并运用Matlab的Simulink仿真工具，对单缸静态力加载控制特性和各系统参数对控制特性影响进行了仿真分析。同时结合所提出的控制系统模型，对并联机构单自由度输出力控制特性及其影响因素进行了仿真研究。
第五章建立了基于并联六自由度电液伺服机构的力控制实验系统，采用课题组自主研制的Stewart型六维力／力矩传感器作为输出广义力的检测系统，首次进行了基于并联六自由度电液伺服机构的单自由度力控制实验研究。在研究单缸力控制特性基础上，进行了基于并联机构单缸输出力小闭环和平台输出力大闭环的单自由度力控制实验，对实现六缸协同力控制算法及其影响因素做了实验验证和分析。
第六章对课题工作进行总结，并对将来进一步的研究工作进行了展望。
6-DOF parallel mechanism is a new type of space motion mechanism with powerful load ability, good structural stiffness, quick response and high control precision, which has wide applications in the aviation, ship or vehicle motion simulator, space docking, drive training, etc. Now, the studies on 6-DOF parallel mechanism mainly focus on pose control. However, there are few investigations at present on the force control of 6-DOF parallel electro-hydraulic servo mechanisms, particularly on generalized loading force control. In this dissertation, a rounded analysis and a profound study have been carried out about the single-DOF force loading control based on the 6-DOF parallel electro-hydraulic servo mechanism, which is doubtless a new attempt in domestic even oversea region to target at the 6-DOF parallel electro-hydraulic servo mechanism's generalized output force control, but not its pose control. First, the principle and the structure of the force loading system are introduced. Then the research of single-DOF force control method and its control strategy are analyzed systematically. And the force loading experimental system has been developed by our laboratory for the single force control experiment, by which the experimental research has been studied.
Here are the main points of the dissertation:
In Chapter 1, the domestic and oversea development and the application foreground of the 6-DOF parallel mechanism are summarized at first. Then, the research significance of this topic is expounded and the works need to do are also introduced in this part.
In Chapter 2, the principle and the structure of the force loading system are carefully analyzed firstly. Thus, the academic study of the mechanical model based on the 6-DOF parallel mechanism is carried out. The formula of the generalized output force about the 6-DOF parallel mechanism is deduced and the influencing factors of the generalized output force are also analyzed, so that the character of the single-DOF force loading is studied.
In Chapter 3, new control methods of the single-DOF force control system are put forward at first and the models of the single-DOF force control system based on the 6-DOF parallel electro-hydraulic mechanism are built up. The mathematics model of the single-cylinder force control system is set up and also the transfer function and control block diagram about it are put forward at the end of this chapter.
In Chapter 4, the simulation models of the single cylinder force control and the single-DOF force control system based on the 6-DOF parallel electro-hydraulic mechanism are established. The simulation study of the single cylinder output force control performance is firstly developed. Then, combined with the system models of the parallel mechanism, a simulation analysis is
第一章概述了国内外并联六自由度机构的发展和研究状况，阐述本课题的研究意义和背景，给出本论文所要开展的主要研究工作。
第二章阐述了基于并联六自由度机构的广义加载系统的原理和结构。对力学模型进行理论研究，推导出并联六自由度机构的广义输出力公式，分析了广义输出力的影响因素，并针对并联六自由度机构单自由度力加载特性进行了研究分析。
第三章提出了并联机构的单缸输出力小闭环和平台输出力大闭环的单自由度力控制方法。建立了单缸力控制系统数学模型，并推导出系统的传递函数和控制框图。
第四章建立了单缸力和并联六自由度电液伺服机构单自由度力控制系统仿真模型。并运用Matlab的Simulink仿真工具，对单缸静态力加载控制特性和各系统参数对控制特性影响进行了仿真分析。同时结合所提出的控制系统模型，对并联机构单自由度输出力控制特性及其影响因素进行了仿真研究。
第五章建立了基于并联六自由度电液伺服机构的力控制实验系统，采用课题组自主研制的Stewart型六维力／力矩传感器作为输出广义力的检测系统，首次进行了基于并联六自由度电液伺服机构的单自由度力控制实验研究。在研究单缸力控制特性基础上，进行了基于并联机构单缸输出力小闭环和平台输出力大闭环的单自由度力控制实验，对实现六缸协同力控制算法及其影响因素做了实验验证和分析。
第六章对课题工作进行总结，并对将来进一步的研究工作进行了展望。
6-DOF parallel mechanism is a new type of space motion mechanism with powerful load ability, good structural stiffness, quick response and high control precision, which has wide applications in the aviation, ship or vehicle motion simulator, space docking, drive training, etc. Now, the studies on 6-DOF parallel mechanism mainly focus on pose control. However, there are few investigations at present on the force control of 6-DOF parallel electro-hydraulic servo mechanisms, particularly on generalized loading force control. In this dissertation, a rounded analysis and a profound study have been carried out about the single-DOF force loading control based on the 6-DOF parallel electro-hydraulic servo mechanism, which is doubtless a new attempt in domestic even oversea region to target at the 6-DOF parallel electro-hydraulic servo mechanism's generalized output force control, but not its pose control. First, the principle and the structure of the force loading system are introduced. Then the research of single-DOF force control method and its control strategy are analyzed systematically. And the force loading experimental system has been developed by our laboratory for the single force control experiment, by which the experimental research has been studied.
Here are the main points of the dissertation:
In Chapter 1, the domestic and oversea development and the application foreground of the 6-DOF parallel mechanism are summarized at first. Then, the research significance of this topic is expounded and the works need to do are also introduced in this part.
In Chapter 2, the principle and the structure of the force loading system are carefully analyzed firstly. Thus, the academic study of the mechanical model based on the 6-DOF parallel mechanism is carried out. The formula of the generalized output force about the 6-DOF parallel mechanism is deduced and the influencing factors of the generalized output force are also analyzed, so that the character of the single-DOF force loading is studied.
In Chapter 3, new control methods of the single-DOF force control system are put forward at first and the models of the single-DOF force control system based on the 6-DOF parallel electro-hydraulic mechanism are built up. The mathematics model of the single-cylinder force control system is set up and also the transfer function and control block diagram about it are put forward at the end of this chapter.
In Chapter 4, the simulation models of the single cylinder force control and the single-DOF force control system based on the 6-DOF parallel electro-hydraulic mechanism are established. The simulation study of the single cylinder output force control performance is firstly developed. Then, combined with the system models of the parallel mechanism, a simulation analysis is
引文
[1] 吴江宁，并联式六自由度平台及其控制研究，浙江大学博士学位论文，1996。
[2] 王旭永，六自由度并联驱动平台位置控制及电液伺服系统专题研究，浙江大学博士后研究工作报告，1995。
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