飞行模拟机六自由度运动系统解耦控制研究

为了满足高级别飞行模拟机对高逼真度动感模拟系统的需求，必须就如何提高六自由度运动系统频宽、减小耦合等问题展开深入研究。液压驱动六自由度运动系统具有六阶数值不同甚至相差很大的液压固有频率，传统的单系统控制器由于忽略了各执行机构间的耦合作用，即使采用动压反馈校正技术，系统频宽也仍然受到最低液压固有频率限制，而很难得到提高。本方案试图提出一种新型的解耦控制方法，即在传统关节空间控制器的基础上，把控制误差、控制器参数以及反馈量都转换到解耦的模态空间中去，并结合动压反馈技术来构造控制策略。期望采用模态空间控制器之后，各自由度频宽可以达到或接近各阶液压固有频率，从而使系统频宽得以提高。本方案将从液压驱动六自由度并联机构的耦合机理、模态空间解耦控制设计、解耦控制器性能评价等方面展开研究。该控制器具有结构简单灵活、性能出色等特点。应用该方法，极有可能开发出高逼真度的飞行模拟机动感模拟系统。

为了满足高性能飞行模拟机对高逼真度动感模拟系统的迫切需求，本项目以提高液压驱动六自由度运动系统频宽、减小自由度间动力学耦合为研究目标，从设计与控制入手，就六自由度并联机构耦合特性分析、动态各向同性设计、模态空间控制等基础理论及关键技术展开研究。在设计方面，提出了基于频率特性的动态各向同性设计方法，使设计者在设计阶段就能够充分考虑结构参数、质量特性、阻尼特性对系统动态特性的影响，从而为解耦控制的设计留下了充足的发挥空间。针对广义Gough-Stewart六自由度并联机构，假设其为粘性比例阻尼系统，提出了动态耦合特性和基于频率特性的动态各向同性的评价指标；发现了关节空间逆质量阵的解析表达式，揭示了惯性参数对耦合特性的影响。针对标准六自由度并联机构，发现其关节空间逆质量阵中位时具有中心对称特性，并利用该特性得到了其特征值与特征向量关于结构参数的解析表达式，进而发现了标准并联机构解耦中心公式；针对旋转、平移、完全、组合等动态各向同性条件，提出了动态各向同性的设计方法；发现了用圆柱单叶双曲面描述标准六自由度并联机构的新定义，该定义对标准并联机构的系统分类、无量纲设计提供了理论支持；考虑被动关节粘性阻尼的影响，提出了一种通过调整并联机构结构参数使得非粘性比例系统转化为近似粘性比例阻尼系统的设计方法，从而大幅提高了模态空间控制的适用范围。针对多环旋转对称并联机构，提出了基于复合圆柱单叶双曲面的新定义；基于该定义，系统地发现了满足完全动态各向同性的并联机构。动态各向同性设计方法还可推广应用到冗余驱动振动台、六维力传感器等方面。在控制方面，提出了基于动压反馈的模态空间控制方法，即在传统关节空间控制器的基础上，把控制量、反馈量以及控制器参数从关节空间映射到解耦的模态空间中去，并结合动压反馈技术，使得自由度频宽可以独立调整达到或接近各阶模态液压固有频率；提出了一种新的惯性参数辨识方法，可以消除被动关节粘性阻尼和干摩擦导致的自由度相位差对惯性参数辨识的影响；发现了标准六自由度并联机构中位时模态变换阵的解析表达式，并提出了一种基于中位的模态空间控制的解析设计方法；针对现有模态参数求解算法在处理姿态变化时产生的“模态跃迁”现象，提出了一种基于模态参数连续性的迭代求解算法，从而使得基于全局工作空间的模态空间控制器的实现成为可能；另外，还在动力学模型计算效率、高逼真度动感模拟方面展开了深入研究。