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机电控制系统原理与设计题目:六自由度运动平台学院：机电工程学院专业班级：机械工程（04）班学生姓名：尚润琪学号：20140220241绪论自1965年D.Stewart提出了StewartPlatform模型以来，因其结构简单、高刚度、高精度和高重载能力等优点，六自由度（即Stewart平台）运动平台已成为对飞机、舰船、宇航和车载设备进行动态可靠性研究的主要模拟实验装置；同时也是飞行员、船员及车辆驾驶员进行飞行模拟训练、舰船航行模拟训练和车辆驾驶员模拟训练的有力手段。因此，对六自由度运动平台进行细致深入的研究具有重要的理论价值和深远的实际意义。2六自由度平台2.1平台驱动方式与控制系统六自由度运动平台的驱动方式在很大程度上决定了运动系统的承载能力、运动精度、快速性等性能指标，也是运动系统中关键技术之一。通常并联机构的驱动方式主要有电动、气动和液压三种基本方式，从理论上讲，用电动、气动和液压这三种动力系统都可以，但每种系统都有其各自的优缺点，因而各有其最为适用的承载范围。对于电动系统来说，电动机启动容易而且可设计成低转动惯量，加减速特性都很好，但要获得大的功率输出，电动机的质量和体积都较大。由于电气传动和其他形式相比，在高速、高精度、小型节能方面能满足并联机构驱动的要求，因而在轻载情况下，国外的并联机构多采用电气传动。气动系统以空气作为介质，响应速度较快，切空气可直接从大气中获得，又可排放到大气中情趣，不需要回流系统，与液压系统相比，其系统构成简单、价格便宜，但其工作压力低，因而承载能力低，定位刚度低。工作载荷在几百牛顿，气动系统最为有效。液压传动从动力性能方面看占有很大优势，一个体积与能搬送14—24Kg载荷的气动或电气系统相当的液压系统，就可搬送120—140Kg的负载，而且还有气动或电气系统相当的精度和响应速度。另一方面，液压系统的油液能起到对运动部件润滑的作用，并通过油液的流动把热量带走，实现系统的自冷却，以延长元件和系统的使用寿命。采用液压驱动机构还可得到很大的速度范围，其低速特性比电动机要好，当液压执行器泄露较小时，液压弹簧刚度大，因而闭环系统的定位刚度较大，位置误差也较小。另外，利用液压系统的集成回路可以把液压系统设计的相当紧凑，减少系统所占空间。综上所述，当平台载荷在0.5吨以上时驱动方式采取动力性能较好的液压驱动方式，不仅可以满足功率和控制精度的要求，而且就结构而言，平台的六个液压缸的伸缩控制由六个液压阀来实现，液压缸是直线位移式驱动机构，它们的运动与杆件所要求的运动相吻合，结构非常简单。如下图2-1所示为控制系统的基本原理图，电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质，利用电信号进行控制输入和反馈。只要输入某一规律的输入信号，执行元件就能启动、快速并准确地复现输入量的变化规律。图2-1电液位置伺服控制系统结构图2.2六自由度平台结构如图2-2所示，Stewart平台由上、下两个平台、六个驱动关节和连接球铰组成，上平台为运动平台，下平台为基座，上、下平台的六个铰点分别组成一个六边形，连接6个液压缸作为驱动关节，每个液压缸两端各连接一个球铰。六个驱动关节的伸缩运动是独立的，由液压比例压力阀控制各液压缸作伸缩运动，借助六只油缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而改变各个驱动缸的长度，使动平台在空间的位置和姿态发生变化。因此该平台通过六个驱动杆的协调动作来实现三个线性移动及三个转动共六个自由度的运动。图2-3为实验室六自由度平台样机。图2-2六自由度平台结构图2-3实验室平台样机2.3六自由度平台逆解算法对于六自由度平台机构，其特点是动静平台铰点共面，考虑到工作空间的对称性要求，将平台的6个铰点分成3组，三组铰点沿圆周120°均布，动、静平台的相邻两边到中心的夹角分别为30°和90°。为求解六自由度平台的空间位置关系，首先在静、动平台上分别建立静、动坐标系。如图2-4所示，静坐标系XYZ原点O位于静平台的中心，X-Y平面与下平台上各液压缸铰接点分布圆共面，动坐标系X′Y′Z′的原点O′位于平台上平台中心，当上平面位于中位时，动﹑静坐标系的Z′和Z轴重合，且静坐标系Z轴穿过O′。XYZO'OiPiBRiliriBiP图2-4空间矢量关系示意图以第i只液压缸为例描述该机构的空间位置关系。设为从动坐标系原点至平台铰接点Pi的矢量在静坐标系的表示，。为点至Pi的矢量在动坐标系的表示。为从O点到Bi点的矢量在静坐标系的表示，。为在静坐标系中从点O到点的矢量，。为在静坐标系中从O点到Pi点的矢量，，也是Pi点在静坐标系中的坐标。为静坐标系中从至的矢量，，各矢量间的关系如下所示。以静坐标系为参考坐标系，得到六自由度平台中各位置相互关系的矢量关系式：化简得到平台位姿与各驱动关节杆长矢量的关系式：位置逆解是由动作平台的位姿相对于其在中位时的中心位置及角姿态求解各液压缸的伸缩量，位置逆解的精确算法目前已经很成熟，能够用于实际系统的实时计算。位置逆解的求解，关键是要求出动平台上各关节铰接点在静坐标系中的坐标。可利用动平台的位姿及各铰接点在动平台上的位置，进行坐标变换，求得各铰接点在静坐标系中的坐标。在动坐标系中的任一向量可以通过坐标变换方法变换为固定坐标系中的，变换公式如下：其中：变换矩阵为：，，式中：。当给定平台的结构尺寸后，利用几何关系，可以很容易写出动、静平台各铰接点（，，i=1,2,…,6）在各自坐标系中的坐标值，再由上面相应公式求出动平台各铰点在静坐标系中的坐标值。这时6个驱动器杆长矢量（i＝1,2,…,6）可在固定坐标系中表示为：（i＝1,2,…,6）从而得到并联机构的位置反解计算公式：液压缸i的伸缩量Si为：其中||neut为驱动杆i的中位长度，i=1,…,6。上式是6个独立的显式方程，当已知该并联机构的基本尺寸和动平台的位置和姿势后，就可以求出6个驱动杆的杆长。通过上面一系列的运算，就可以求出六个液压缸的杆长，这也就是六自由度平台的逆解。3系统的控制3.1基于常规PID的控制系统常规的PID控制器因具有结构简单、参数物理意义明确、被控制对象适应性强、动态和静态特性优良等显著特点，在各种控制理论不断出现的今天，在工业控制领域仍然占有很大的比重。PID是按偏差的比例、积分、微分组合而成的控制规律。比例控制简单易行，积分的加入能消除静差，微分项则能提高系统的稳定性，改善系统的动态性能。在已知传递函数的情况下，需要合理的选取比例、积分、微分系数，以便获得满意的系统性能。3.2基于BP神经网络的控制算法PID控制器主要的局限是在于它对被控制对象的依赖性，一般需要预先知道被控对象的传递函数才能进行设计，而这在工业设计中往往很难做到。虽然可以采用一些近似的工程整定方法来选择PID参数，但仍需反复调试与实验，一般很难做到最优。神经网络优化算法具有很强的非线性映射能力，不需要事先了解描述这种映射关系的数学方程。并且具有一定的容错能力，即输入样本中有个别错误时，对网络的输入输出规律影响很小。能逼近任意非线性函数，可以处理那些难以用模型和规则描述的过程，在一些不确定系统的控制中已成功的应用。六自由度运动平台的控制具有高度的非线性，而且在载荷作用下，对运动产生很强的外干扰。将神经网络与PID控制相结合，即在常规PID控制的基础上增加一个神经网络，用神经网络在线调整PID参数，可以获得很好的控制效果。基于BP神经网络的PID控制器如图所示。控制系统由两部分组成，传统的PID控制器和BP神经网络学习算法。神经网络根据系统的运行情况调节PID参数，使输出层对应的三个参数通过自学习、权系数调整，不断趋于最优。图3-1基于BP神经网络的PID控制器3.3控制原理对液压系统控制的关键在于对伺服阀的控制，只要控制伺服阀的动作就可以控制6个油缸的收缩量，从而控制六自由度并联平台。控制系统主要由PC机、位移传感器、PAC和其它电器元件组成。其用途如下：（1）PC机主要用来实现人机交互。用V.B语言编程的PC机，拥有可视化控件，是人机交互功能更为快捷、方便。（2）6个位移传感器用来实时监测各自油缸的收缩量。（3）PAC用来6个油缸的位移控制、液压油泵的控制和溢流阀的开关控制。用户在PC机上设置好相关的参数后，系统就会将用户设置的参数通过网口，使用Modbus协议通信协议传输到PAC中。系统中的位移传感器会将伺服油缸的收缩量实时的传输到PAC的数据采集端口，通过PAC的数据采集端口获得油缸实时的伸缩量之后，再结合用户设定的给定参数就可以实现伺服油缸的负反馈位移闭环，通过这个闭环中的比较环节就可以得到给定值与反馈值之间的差值，将这个差值通过PAC的数据发送通道发送给伺服油缸的伺服阀中就可以实现伺服油缸的闭环伺服控制。并在闭环控制中加入基于神经网络的PID控制，大大提高了控制精度。满足了目标追踪对定位精度的要求。4对液压六自由度运动平台的改进传统的液压六自由度运动平台需要有一个对六个液压缸供油的泵站，这会占用平台结构的一定空间，且电液伺服阀对液压油的要求较高。这些在很大程度上会造成制造加工工艺复杂，成本高。而如果能出现一种能使运动平台不需要泵站，且对液压油要求不是很高的结构，无论是在制造过程还是使用过程中都将大大节省成本。图4-1是一种直驱式六自由度运动平台单通道的系统图，它能满足以上所提出的各种要求。图4-1六自由度台的单通道系统图该单通道系统主要由以下几部分组成：伺服电机、定量泵、集成阀块、压力油罐，以及非对称缸及其前端吊耳和后端吊耳。下面是各组成部分的功能介绍。集成阀块：集成阀块是直驱式六自由度运动平台单通道系统的重要组成部分，其集成阀块的原理图如图4-2所示。图4-2集成阀块原理图集成阀块中各阀的作用：锁阀：它是一叠加式双向液控单向阀，液压泵停运时，它把回油通路R、L锁死；当液压泵开始工作，使油压泵达到锁阀的开启压力时，锁阀打开，R、L形成回油通路，执行机构（非对称缸）开始工作。如果遇到意外情况如停电等，则锁阀锁死，回油通路R、L关闭，有溢流阀起到安全阀作用，以便保护负载。溢流阀：当管路中压力达到溢流阀给定值时，油液从溢流阀流回油箱。旁路阀：当锁阀锁死后，回油通路R、L被锁死，执行机构被固定，这时可以通过打开旁路阀的方法，使执行机构2个工作腔与油箱直接相通，进而可以手动调节执行机构的位置。补油阀：当液压缸大腔进油，小腔回油即液压缸前进时，不足的流量就通过补油阀从压力油罐中补充。反之，多余的油排入压力油罐。可以看出这种直驱式六自由度运动平台子啊结构方面有了很大的改进，但在性能方面仍需要对其进一步的仿真模拟研究。由直驱式电液伺服装置构成的位置闭环伺服系统其组成如图4-3所示。对于输入信号而言，该系统在单位反馈且无控制器的开环增益为：正向时：1AKvDpKv反向时：2AKvDpKv图4-3六自由度平台的单通道系统方框图现根据系统正反反向的传递函数可以求出系统正方向的开环伯德图如图4-4中曲线1所示，反向时如曲线2所示，系统闭环波德图如曲线3所示。可以看出，系统有一定的幅值和相位裕度，但是系统的开环增益较低、闭环带宽较窄。图4-4直驱式六自由度运动平台单通道闭环BODE图由于系统没有采用电磁屏蔽线，且外部没有滤波设备，使系统的动态特性受到了很大的干扰。但采取屏蔽电磁干扰和滤波设备等措施后，试验台系统的动态性能将得到更大提高。