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船用六自由度穩定平臺的控制研究
發布時間:2020-12-16 13:44

  艦載穩定平臺的主要作用是在波浪干擾環境下提供一個相對穩定的工作條件,廣泛應用于海洋資源開采、艦載武器穩瞄以及衛星通信、艦載直升機起降等領域。艦載穩定平臺無論是對經濟發展還是軍事國防都有著深遠的意義。目前艦載穩定平臺的主流結構還是基于陀螺儀的串聯轉臺,但是單獨使用這種結構的穩定平臺最多補償三個自由度的擾動。而基于 Stewart 構型的并聯機構則具備空間六個自由度的運動,因此將其作為穩定平臺在理論上是可以實現對擾動全補償的,本文所研究的艦載穩定平臺正是基于這種構型的并聯機構。雖然六自由度穩定平臺可以實現擾動全補償,但是在應用中仍然面臨著設計及控制等方面的技術難題。

  本文首先對六自由度穩定平臺的結構組成和工作原理進行說明,然后在定義了穩定平臺坐標系的基礎上建立了包括位姿正、反解在內的運動學模型,并建立了穩定平臺的單剛體動力學模型。

  為了最大化并聯機構的優勢,本文采用液壓伺服作動器作為穩定平臺的執行機構。首先建立了閥控非對稱正、反向統一形式的動力機構數學模型,之后對動力機構的工作特性進行簡要分析。隨后采用動壓反饋和前饋補償環節對液壓單通道系統進行校正,意在盡可能提高系統的響應速度。另外,搭建了穩定平臺系統的Simulink 和 ADAMS 聯合仿真模型,通過仿真驗證了前述模型的正確性。通過聯合仿真分析發現,系統的響應滯后是影響穩定平臺穩定精度的主要因素之一??紤]到波浪影響下艦船的運動具有一定的可預測性,因此提出通過預測的方式來補償系統的滯后。本文采用的是基于時間序列的自回歸模型對艦船運動的趨勢進行預測,為了得到預報模型需要完成模型定階和模型參數辨識這兩個工作。模型定階采用的是 AIC 信息準則,該準則通過權衡模型的復雜程度和精確程度來確定模型的最佳階次。模型參數的辨識則采用以下兩種方法:一種是基于加權遞推

  最小二乘的參數估計法;另一種是基于 Kalman 濾波估計原理的方法。通過仿真分析可以看出,通過這兩種參數估計法所確定的模型均能有效提高平臺的穩定精度。其中后者由于加入了統計特征,因此其預測結果相對優于前者。最后,本文通過試驗對所提出的預測補償控制算法進行了試驗驗證,試驗數據表明所采用的預測補償控制算法能夠有效地提高系統的穩定精度,該預測補償控制算法具備一定的實用性。

  關鍵詞:穩定平臺;并聯機構;預測補償算法;時序預測

關鍵詞: 六自由度穩定平臺,六自由度平臺控制研究
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