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原文传递船舶六自由度运动模拟台及其控制方法研究

论文题名：	船舶六自由度运动模拟台及其控制方法研究
关键词：	船舶工业;六自由度运动模拟台;物理仿真试验;运动模拟器;同步控制;运动学正解
摘要：	随着船舶工业技术的发展，针对舰船研制以及各种船上设备开发中需要解决的关键技术问题，对实时模拟船舶运动的物理仿真试验系统进行研究是非常必要的。并联机构以其特有的大刚度、高精度和高载荷自重比等特点，在机器人、运动模拟器、数控机床等领域得到了广泛的应用。因此，本文重点针对基于并联机构的船舶六自由度运动模拟台的一些关键技术以及控制方法等进行了深入的研究。本文首先阐述了船舶六自由度运动模拟台的运动学有关概念，针对求解运动学正解的数值法存在着解的精度和收敛问题都依赖于迭代初值的缺点，设计了一种通用性较强的并联机构运动学正解方法，该方法将改进粒子群优化算法和Newton-Raphson数值法相结合，既解决了数值法迭代初值较难选取的问题，又可以获得较高的求解精度。机构设计是否合理对于并联机构的运动学和动力学性能有着较大影响，因此，本文采用平均灵巧度作为衡量船舶六自由度运动模拟台运动学性能的指标，建立了包含各种约束条件的机构优化设计模型。同时，通过对全局搜索、局部搜索和信息素更新规则等环节进行改进，设计了更适用于连续优化问题求解的改进蚁群算法，并采用该算法对船舶六自由度运动模拟台进行优化设计。通过优化结果对比，证明了该算法的有效性，也为解决并联机构设计这一类连续优化问题提供了有实用价值的参考。从船舶六自由度运动模拟台的支链机构分析入手，建立其结构参数误差与输出位姿误差之间的关系，得出包含全部四十二个结构参数误差在内的误差正解模型。仿真结果表明：对于给定的各结构参数误差，应用此模型可直接得出模拟台输出位姿误差。同时，对船舶六自由度运动模拟台的精度分析理论进行了研究，建立了合理的结构参数误差随机抽样模型，利用蒙特卡洛模拟方法对位姿误差的统计特性进行了仿真分析。对船舶六自由度运动模拟台的单通道液压位置伺服系统进行数学建模，并对所采用的对称阀控非对称液压缸的动力机构正反向运动时的压力和跟踪特性进行研究。提出了船舶六自由度运动模拟台的复合控制方法，采用小脑模型控制器进行整个模拟台系统的同步控制，而在单通道液压系统中设计了基于Fuzzy—PID切换和负载压力干扰前馈的关节空间控制器。通过仿真与实验研究j证明该控制方法既消除了各单通道系统的非对称特性、变负载、外干扰力等不良影响，又提高了多通道执行机构的运动同步性、克服了负载交联耦合等影响，使船舶六自由度运动模拟台获得了理想的运动性能和跟踪精度。本文在完成船舶六自由度运动模拟台系统总体及计算机控制系统设计的基础上，对所提出的基于同步思想的复合控制策略进行了实验研究和结果分析。结果表明所提出的控制方法合理可行，参与研制的船舶六自由度运动模拟台是成功的。
作者：	杨鹏
专业：	控制理论与控制工程
导师：	李国斌
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文