三自由度重载摇摆台电液位置伺服系统控制方法研究

作     者：江鹏 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨钢

授予年度：2021年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0804[工学-仪器科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：重载摇摆台 电液位置伺服系统 动力学 同步控制 鲁棒控制 

摘      要：多自由度摇摆台作为一种典型的物理仿真试验设备,其驱动系统的控制精度决定了多自由度摇摆台的运动精度。本论文研究的可实现横摇、纵摇、垂荡三自由度运动的重载摇摆台,采用电液位置伺服系统作为驱动装置,其存在负载结构尺寸大、质量大、惯量大、各自由度运动相互耦合干扰等特点,导致该摇摆台在结构上需要四组液压缸同步驱动实现垂荡运动,运动过程中存在位置跟踪性能差等问题。为了提升三自由度重载摇摆台运动的位置跟踪性能和同步精度,对其电液位置伺服系统开展研究内容如下:首先,根据三自由度重载摇摆台的结构特点,对横摇、纵摇和垂荡运动进行了动力学建模,建立了其电液位置伺服系统数学模型。通过理论和仿真分析了横摇和纵摇运动之间的耦合干扰力矩、横摇和纵摇运动对垂荡运动的干扰力、垂荡运动负载偏载等干扰因素对三自由度重载摇摆台运动的影响。其次,采用ADAMS、AMESim和Matlab软件,设计了三自由度重载摇摆台虚拟样机,开展了基于前馈PID控制器的虚拟样机仿真研究。仿真表明,前馈PID控制器无法解决横摇和纵摇位置伺服系统受耦合干扰力矩的影响,跟踪性能较差。针对四通道垂荡位置伺服系统,设计了相邻交叉耦合同步控制策略,并基于前馈PID控制比较了等同同步和相邻交叉耦合同步控制策略。仿真结果表明,垂荡运动受干扰力和偏载影响较大,简单采用前馈PID控制器和同步控制策略无法获得满意的控制效果。最后,为了解决横摇和纵摇位置伺服系统、四通道垂荡位置伺服系统受干扰因素影响大的问题,通过反推法设计了一种非线性鲁棒控制器,克服了干扰因素的影响。虚拟样机仿真表明,对于横摇和纵摇位置伺服系统、四通道垂荡位置伺服系统,鲁棒控制算法的控制效果要明显优于前馈PID控制。基于相邻交叉耦合同步控制策略的鲁棒控制算法的控制效果,同样要明显优于基于等同同步控制策略的鲁棒控制算法,验证了所设计的相邻交叉耦合同步控制策略的有效性。综上,本论文的研究内容丰富了摇摆台的研究理论与方法,对于类似的电液位置伺服系统及同步控制系统的研究具有借鉴意义,同样对于三自由度重载摇摆台的工程实现和安全运行具有一定的工程意义。