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船用六自由度稳定平台的控制研究
发布时间:2020-10-27 11:36

  舰载稳定平台的主要作用是在波浪干扰环境下提供一个相对稳定的工作条件,广泛应用于海洋资源开采、舰载武器稳瞄以及卫星通信、舰载直升机起降等领域。舰载稳定平台无论是对经济发展还是军事国防都有着深远的意义。目前舰载稳定平台的主流结构还是基于陀螺仪的串联转台,但是单独使用这种结构的稳定平台最多补偿三个自由度的扰动。而基于 Stewart 构型的并联机构则具备空间六个自由度的运动,因此将其作为稳定平台在理论上是可以实现对扰动全补偿的,本文所研究的舰载稳定平台正是基于这种构型的并联机构。虽然六自由度稳定平台可以实现扰动全补偿,但是在应用中仍然面临着设计及控制等方面的技术难题。

  本文首先对六自由度稳定平台的结构组成和工作原理进行说明,然后在定义了稳定平台坐标系的基础上建立了包括位姿正、反解在内的运动学模型,并建立了稳定平台的单刚体动力学模型。

  为了最大化并联机构的优势,本文采用液压伺服作动器作为稳定平台的执行机构。首先建立了阀控非对称正、反向统一形式的动力机构数学模型,之后对动力机构的工作特性进行简要分析。随后采用动压反馈和前馈补偿环节对液压单通道系统进行校正,意在尽可能提高系统的响应速度。另外,搭建了稳定平台系统的Simulink 和 ADAMS 联合仿真模型,通过仿真验证了前述模型的正确性。通过联合仿真分析发现,系统的响应滞后是影响稳定平台稳定精度的主要因素之一。考虑到波浪影响下舰船的运动具有一定的可预测性,因此提出通过预测的方式来补偿系统的滞后。本文采用的是基于时间序列的自回归模型对舰船运动的趋势进行预测,为了得到预报模型需要完成模型定阶和模型参数辨识这两个工作。模型定阶采用的是 AIC 信息准则,该准则通过权衡模型的复杂程度和精确程度来确定模型的最佳阶次。模型参数的辨识则采用以下两种方法:一种是基于加权递推

  最小二乘的参数估计法;另一种是基于 Kalman 滤波估计原理的方法。通过仿真分析可以看出,通过这两种参数估计法所确定的模型均能有效提高平台的稳定精度。其中后者由于加入了统计特征,因此其预测结果相对优于前者。最后,本文通过试验对所提出的预测补偿控制算法进行了试验验证,试验数据表明所采用的预测补偿控制算法能够有效地提高系统的稳定精度,该预测补偿控制算法具备一定的实用性。

  关键词:稳定平台;并联机构;预测补偿算法;时序预测

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