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六自由度并联机构——并联机构模态空间解耦控制

已有 5902 次阅读 2011-2-10 22:39 |个人分类:科研心得|系统分类:科研笔记| 并联机构, 模态空间解耦控制

   我们力图从设计与控制两个方面解决并联机构耦合问题

   这一策略的提出主要基于这样的考虑:系统的耦合特性是由机构的构型、控制和负载共同决定的,只有当机构的质量几何特性达到了匹配,通过控制解决耦合问题才有了实现的基础,因此在研究模态空间解耦控制之前必须对机构的质量几何特性进行匹配设计,这里我们称之为“基于频率特性的动态各向同性设计”;在控制方面,我们的主要思想就是,假定该机构为粘性比例阻尼系统,把系统沿模态方向解耦为单自由度系统,然后在模态空间中进行控制器的设计与实现。

   目前工业上应用最为广泛的还是基于运动学反解算法的关节空间控制,也叫单系统控制基于单通道的分散控制,或称为基于关节空间的分散控制)。该方法主要以并联机构的各个支链为研究的着眼点,是针对各支链设计的一种控制策略。该控制策略忽略了各个支链间的相互作用,或只把其他支链的影响作为外部干扰对待在控制系统设计时为了避免出现支链控制器的稳定性问题,通常要牺牲一定的控制性能来确保系统的稳定性。这种控制策略开发简单,易于实现分级分布式控制和设计安全保护逻辑,但是控制系统的控制性能很难提高。如图所示,不考虑六个执行机构之间的耦合,或认为其为外部干扰,构成位置闭环控制。自由度的实现是通过运动学反解算法,求出相应的执行机构伸长量,并以此作为单个执行机构闭环的输入命令。

    模态空间解耦控制:就是利用模态分析的方法,沿解耦的刚体模态方向,把多输入多输出的系统转换为六个单入单出的系统,从而用成熟的单系统控制理论和方法,对多自由度系统进行控制系统设计。这里我们假设该系统为粘性比例阻尼系统。其基本方法就是在关节空间内,对关节空间逆质量阵进行奇异值分解,得到奇异值和单位正交的变换阵。利用变换阵把误差、速度、加速度、压差等物理量转换到模态空间中去,进行速度和加速度校正,然后再重新把控制信号利用变换阵变换到关节空间中去。这种方法充分考虑了机构的耦合特性。
   对于液压驱动的六自由度并联机构来说,通常可以在关节空间内利用动压反馈技术对液压系统谐振峰进行抑制,提高系统阻尼比,从而达到扩展系统频宽的目的。一般来说,六个模态方向的液压固有频率有很大差异,如果在关节空间内设计动压反馈控制器,而且不考虑各执行机构之间的耦合特性,虽然能够收到一定的效果,但只能对频率最低的谐振峰进行抑制,而相对较高频率的谐振点会出现过阻尼现象。这样,系统的频宽完全取决于最低模态的液压固有频率。这一特性限制了它的应用  
   而采用模态空间解耦控制策略,并结合动压反馈技术,理论上可以使各自由度动态特性独立调整,频宽接近或达到各阶模态固有频率。
   研究结果表明采用模态空间解耦可以把成熟的关于单自由度液压系统的控制理论和方法,移植到多自由度液压系统上,并给出形式上与单自由度系统相似的稳定性分析、误差计算以及控制器参数整定的数学公式。这也许会是对液压控制系统理论的发展
 


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