空间多自由度并联驱动力加载系统随动模态解耦及协同控制

The space multiple-degree-of-freedom parallel driven force loading system is an important equipment for key mechanistic parts testing in project, and it is an electro-hydraulic servo passive loading system based on parallel mechanism, so the problems such as serious coupling among the control channels, the coupled surplus force disturbance, the low frequency response and the poor robust stability have limited the overall control performance of the system. To solve these problems, this project carried out the research of the follow-up modal space (FMSP) decoupling method and the cooperative control, in which theory of multi-body dynamics, theory of vibration, system identification technology and robust control theory are applied. Firstly, the flexible mixed dynamical model of the system is established to analyze the show habit of the output coupling and the generation mechanism of the coupled surplus force; FMSP is established to analyze the intrinsic characteristics of the output coupling, to propose the coupling evaluation index and to study the decoupling method for the independent control of each channel. Secondly, a FMSP feed-forward observer control structure and its intelligent optimization algorithm are proposed to restrain the coupled surplus force; FMSP feed-forward inverse control is studied to expand the bandwidth of multi-channel coupling system, and a subprime quantitative design method of the stabilizing controller is proposed for the inverse model error and dynamic parameters perturbation caused by the changing pose of the system, which can enhance system stability, and then high-performance cooperative control is finally realized. The research of the project can provide theoretical support for developmenting the high precision and high frequency response space multiple-degree-of-freedom parallel driven force loading system.

空间多自由度并联驱动力加载系统是工程关键构件试验测试的重要设备，是一种并联机构电液伺服被动力加载系统，因此各自由度输出耦合严重、耦合多余力干扰、频响低和鲁棒稳定性差制约了其整体控制性能。本项目综合运用多刚体动力学、振动理论、系统辨识技术、鲁棒控制理论，展开空间多自由度力加载解耦及协同控制研究。首先，建立系统刚柔混合动力学模型，分析输出耦合表征及耦合多余力产生机理；建立随动模态空间，分析输出耦合本征，提出耦合评价指标, 研究随动模态解耦方法，实现控制空间通道独立控制。然后，提出随动模态空间前馈观测器结构及其智能优化算法以抑制耦合多余力，研究随动模态空间前馈逆模型控制，拓展多通道耦合系统带宽，提出镇定控制器次优量化设计方法，抑制位姿变化引起的逆模型摄动和动力参数摄动以增强系统鲁棒稳定性，实现高性能随动模态协同控制。本项目研究可为高精度、高频响空间多自由度并联驱动力加载系统的研制提供理论基础。

随着中国制造2025规划的提出，制造业产品安全性能也得到了高度重视，构件力学性能更是产品安全性能的关键。但目前构件的力学性能检测集中于拉压应力检测，利用传统单轴力加载实验设备进行力学性能测试，易导致力学性能实验数据误差较大，影响了构件选型及结构设计，为生产安全埋下隐患。目前对于构件进行多维力加载测试的设备较少，尤其在超大型复杂构件力学性能测试方面。液驱并联机构多维力加载系统具有承载力高、精度高、刚度大、误差均化等优点，能够满足多自由度，不同强度，不同加载频率的需求，可以有效复现构件所受复杂应力环境，然而各自由度输出耦合严重、耦合多余力干扰、频响低和鲁棒稳定性差制约了其整体控制性能。.本项目综合运用多刚体动力学、振动理论、系统辨识技术、鲁棒控制理论，展开空间多自由度力加载解耦及协同控制研究。首先，建立系统刚柔混合动力学模型，分析输出耦合表征及耦合多余力产生机理；建立随动模态空间，研究随动模态解耦方法，实现模态空间通道独立控制。然后，提出随动模态空间前馈观测器结构及其智能优化算法以抑制耦合多余力，研究随动模态空间前馈逆模型控制，拓展多通道耦合系统带宽，提出镇定控制器次优量化设计方法，抑制位姿变化引起的逆模型摄动和动力参数摄动以增强系统鲁棒稳定性，实现高性能随动模态协同控制。通过上述研究得到模态空间各通道无耦合，模态通道动态性能一致性可以实现自由度空间多维力加载解耦以及消除物理空间各向异性，通过设计随动模态空间前馈观测器结构可以有效抑制多余力，通过镇定控制器次优量化设计可以增强系统鲁棒稳定性等重要结论。通过模态空间协调控制降低各自由度间耦合力90%以上，提高力控精度78%以上，通过设计前馈观测器结构降低多余力87.5%，降低噪声10%以上。整体提高系统的控制性能，以高频响、高精度复现承载对象的真实受力情况，为承载对象的力学性能测试提供试验环境，所以，本研究具有重要的理论和实际工程意义。