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原文传递六自由度轴耦合道路模拟器及其控制策略研究

论文题名：	六自由度轴耦合道路模拟器及其控制策略研究
关键词：	六自由度轴耦合道路模拟器;控制策略;独立悬架
摘要：	疲劳耐久性试验是车辆行业中评价整车以及零部件可靠性的至关重要的一个环节。电液伺服道路模拟器作为疲劳耐久性试验重要的设备，在室内提供一种与车辆实际行驶近似的振动环境复现车辆所受的载荷，不仅能够提高测试质量而且会降低试验成本、缩短研发周期。本文以哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所为中国汽车技术研究中心预研的“轴耦合道路模拟器”项目为背景，重点研究基于6-RSS并联机构的轴耦合道路模拟器结构优化和多轴控制问题。　　针对轴耦合道路模拟器，首先分析拓扑结构和工作原理并建立了完整运动学和动力学模型，得到了铰点与末端执行器间的速度和力雅克比矩阵。对于末端执行器同时含有平动和转动自由度的并联机构存在雅克比矩阵尺度不均匀的问题，本文使用缩放矩阵对雅可比矩阵进行归一化以消除不均匀性限制。然后基于规范化雅克比矩阵构建了力各向同性、力传递、速度传递和运动耦合性能指标并分析了模拟器关键尺寸参数对四个性能指标的影响规律。本文提出一种改进的根系优化方法并成功地应用于模拟器优化设计中，提高了模拟器的动态性能。该优化方法融合了进化算法和集群算法的优点，引入levy飞行曲线进一步提高了算法的全局搜索能力。最后基于优化后的尺寸参数研制了轴耦合道路模拟器物理样机。　　轴耦合道路模拟器自由度位置控制中位姿反馈需要实时解算运动学正解，针对牛顿-拉夫逊法求解速度相对较慢的问题，提出一种基于扩展卡尔曼滤波器的求解方法来提高实时性。关于模拟器设计时集中动质量的质心与控制点不重合产生的动力学耦合会降低各个独立自由度的位置控制精度的问题，本文提出了一种基于反向解耦网络的动力学解耦控制方法来提高位置控制精度。该方法采用递推増广最小二乘法辨识解耦网络中的各个元素，利用零幅值跟踪技术求取稳态逆，然后通过串联有限脉冲滤波器的形式对稳态逆进行补偿提高逆模的精度从而增强解耦能力。　　针对传统基于位置的阻抗力控制往往会有稳态误差、动态加载精度较低以及抗耦合干扰能力不足的问题，本文提出了一种复合控制方法：采用广义PI阻抗控制减小力加载稳态误差，结合前馈控制器提高力闭环系统频响特性，设计前馈干扰力补偿器抑制悬架垂向运动时运动学耦合干扰力，利用干扰观测器进一步抑制自由度间的耦合以及系统参数时变等不确定性导致的干扰力。　　由于受限于力/位混合控制系统频宽同时系统存在强耦合非线性使得模拟器难以实现目标路谱的精确复现，因此进一步应用迭代控制。针对传统离线迭代控制收敛速度慢、迭代次数多容易造成试件预损伤从而影响疲劳寿命评价的问题，详细分析了影响迭代收敛的机理并对比了三种加速方法。为了加快离线迭代收敛，将复数域优化理论应用到离线迭代中，分别提出了基于复数域共轭梯度法、复数域拟牛顿法更新阻抗矩阵的迭代方法，通过插入学习环对线搜索最优复数域增益进行求解，保证迭代算法的单调收敛性。在复数域拟牛顿法迭代控制基础上，提出了一种基于估计的迭代学习方法，该法基于辨识的系统模型估计最优迭代增益，进一步减少了迭代次数。　　最后，在研制的轴耦合道路模拟器基础上，搭建了独立悬架加载试验系统。以该系统作为实验平台对提出的位置控制、复合力控制以及迭代控制策略进行了实验研究，实验结果验证了本文所提出控制策略的正确性和可行性。
作者：	王晓
专业：	机械工程
导师：	韩俊伟
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021