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機電控制系統(tǒng)原理與設(shè)計題 目: 基于六自由度液壓平臺設(shè)計 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 專業(yè)班級： 機械工程（04）班 學(xué)生姓名： 楊 斌 學(xué) 號： 20140220021 I目 錄第 1 章 六自由度平臺的簡介和應(yīng)用 11.1 六自由度平臺的結(jié)構(gòu)與特點 11.2 六自由度并聯(lián)平臺的應(yīng)用方向 2第 2 章 六自由度平臺工作原理及分析 52.1 六自由度平臺工作原理 52.2 六自由度運動平臺的工作空間 92.3 六自由度并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動方式 10第 3 章 六自由度平臺控制系統(tǒng)設(shè)計 123.1 運動平臺的液壓系統(tǒng)簡介 123.2 動力泵站 133.3 液壓系統(tǒng)的工作原理 13第 4 章 基于 SOLIDWORKS 虛擬樣機建模與仿真 164.1 液壓平臺的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 164.2 虛擬樣機的建立與仿真 174.2.1 零件建模 .174.2.2 裝配設(shè)計 .184.2.3 運動分析 .19第 5 章 基于 PID 的系統(tǒng)控制 .225. 1 液壓伺服并聯(lián)平臺的動態(tài)模型 225. 2 PID 控制原理 24第 6 章 總 結(jié) 271第1章 六自由度平臺的簡介和應(yīng)用六自由度運動平臺是由 1965 年德國結(jié)構(gòu)工程師 Stewart 發(fā)明研制的，所以也叫 Stewart 平臺。它由一個上平臺（動平臺） ，一個下平臺（靜平臺） ，六個可伸縮的桿件和 12 個運動鉸鏈將桿件和上、下平臺連接而構(gòu)成的一個并聯(lián)式運動平臺六自由度運動平臺是用于飛行器、運動器（如飛機、車輛）模擬訓(xùn)練的動感模擬裝置，是一種并聯(lián)運動機構(gòu)，它通過改變六個可以伸縮的作動筒來實現(xiàn)平臺的空間六自由度運動（垂直向、橫向、縱向、俯仰、滾轉(zhuǎn)、搖擺） ，即X、Y、Z 方向的平移和繞 X、Y、Z 軸的旋轉(zhuǎn)運動，以及這些自由度的復(fù)合運動。1.1 六自由度平臺的結(jié)構(gòu)與特點六自由度平臺由下平臺(固定底座)、運動平臺、虎克鉸（或球鉸）和六個作動器組成，如圖 1.1 所示。伺服驅(qū)動缸通過虎克鉸以并聯(lián)的形式將固定底座和運動平臺連接起來，因而六個伺服驅(qū)動缸均可獨立地伸縮。通過六個伺服缸的協(xié)調(diào)伸縮，相對于固定下平臺，運動上平臺就可以靈活實現(xiàn)空間六個自由度方向上的位姿運動。六個自由度方向上的位姿運動包括沿三個坐標(biāo)軸的線性移動和繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運動圖 1.1 六自由度系統(tǒng)平臺簡圖并聯(lián)機構(gòu)有其獨特的優(yōu)點:(1)同串聯(lián)機構(gòu)的懸臂梁比較，六自由并聯(lián)機構(gòu)的運動平臺由 6 個作動器同時支撐，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剛度較大，且承載能力大;(2)串聯(lián)式機器人的傳動系統(tǒng)及驅(qū)動電動機大都固定在運動的大小臂上，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性增加，動力性能惡化，而并聯(lián)式則可將驅(qū)動電機置于固定底座上，2減小了運動負(fù)荷，動力性能較好;(3)串聯(lián)機構(gòu)的誤差是相關(guān)運動關(guān)節(jié)誤差的積累和放大，因此誤差大而精度低。而并聯(lián)機構(gòu)則誤差趨向平均化，不存在如此的誤差積累和放大關(guān)系，因而誤差小、精度高;(4)并聯(lián)式機器人組成結(jié)構(gòu)往往為對稱式，其各向同性好;(5)在運動學(xué)分析方面，串聯(lián)機構(gòu)正解容易，反解非常困難，而并聯(lián)機構(gòu)則與之相反，正解困難，反解容易。多自由度機構(gòu)運動過程中，需要進(jìn)行實時反解運算，并聯(lián)式容易實現(xiàn)，而串聯(lián)式卻十分不易。為了對并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)特點更加清晰地說明，將并聯(lián)機器人和串聯(lián)機器人進(jìn)行比如表 1.1 所示表 1.1 并聯(lián)機構(gòu)與串聯(lián)機構(gòu)比較表比較項目 串聯(lián)機構(gòu) 并聯(lián)機構(gòu)工作空間剛度奇異性負(fù)載能力慣量結(jié)構(gòu)精度速度加速度正解反解動力學(xué)控制設(shè)計復(fù)雜性成本大低有一些低大簡單誤差積累較低較低容易困難復(fù)雜較簡單低較高小高多高小復(fù)雜誤差平均化較高較高困難通常容易非常復(fù)雜復(fù)雜高較低1.2 六自由度并聯(lián)平臺的應(yīng)用方向目前六自由度并聯(lián)平臺已廣泛應(yīng)用于訓(xùn)練模擬駕駛、運動仿真、工業(yè)生產(chǎn)空間、飛行器對接機構(gòu)及其地面試驗設(shè)備、衛(wèi)星天線換向裝置、海軍艦船觀測臺以及天空望遠(yuǎn)鏡跟蹤定位系統(tǒng)等場合。根據(jù)末端執(zhí)行器功用的不同，可以把并聯(lián)機器人的應(yīng)用方向分為如下幾類:(1)承載運動。如可應(yīng)用于食品、藥物以及化妝品的包裝和電子類產(chǎn)品的裝3配;還可用于短距離重物搬運與大扭矩螺栓緊固等工業(yè)領(lǐng)域。(2)運動模擬器。六自由度并聯(lián)機器人是模擬器的最重要載體，它能提供運動過程中的振動沖擊及過載動感等運動感覺，使運動模擬更加逼近真實感覺。運動模擬器現(xiàn)己廣泛運用于各個領(lǐng)域，如飛行員三維空間駕駛模擬器，船舶搖擺模擬臺，汽車駕駛模擬器;娛樂運動模擬臺等。如圖 1.2 所示。圖 1.2 汽車模擬器(3)并聯(lián)機床。并聯(lián)機器人作為數(shù)控加工中心，被稱為虛擬軸機床，是在工業(yè)上一個特別突出的重要應(yīng)用。并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)簡單、傳動鏈極短、質(zhì)量輕、剛度大、切削效率高、成本低，并且能完成復(fù)雜三維曲面的加工。(4)微動精密定位機構(gòu)。繼并聯(lián)機床之后，微動精密定位機構(gòu)是又一個迅速發(fā)展并付諸產(chǎn)業(yè)的實用產(chǎn)品，主要應(yīng)用領(lǐng)域有精加工、航空航天和醫(yī)療手術(shù)等。基于六自由度并聯(lián)機器人的精密定位機構(gòu)有運動構(gòu)件慣量小、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、動態(tài)特性好及無累積誤差等特點，從而其具有較高的可靠性和可重復(fù)性。同樣運用并聯(lián)機器人位置精度高、力控制性能好等優(yōu)點，相關(guān)科研機構(gòu)已經(jīng)研制出多種用于手術(shù)輔助治療的醫(yī)用設(shè)備。圖 1.3 所示為醫(yī)用機器人。圖 1.3 醫(yī)用機器人(5)操作器。在航空領(lǐng)域，并聯(lián)機器人可應(yīng)用于太空飛船的對接裝置。六自4由度并聯(lián)對接機構(gòu)能夠完成對正抓取、柔性連接及鎖緊等一系列對接動作，能夠滿足飛船常用對接機構(gòu)的捕獲環(huán)在空間六自由度上的靈活運動的技術(shù)要求。在航海領(lǐng)域，遇難潛艇救援時也可以運用并聯(lián)機構(gòu)來完成救援裝備與潛艇的對接。同樣在相對困難的地下工程領(lǐng)域，如煤礦開采、土方等，也有并聯(lián)機器人廣闊的用武之地5第2章 六自由度平臺工作原理及分析2.1六自由度平臺工作原理典型的 Stewart 結(jié)構(gòu)形式的平臺的 6 個液壓缸在其軸向的驅(qū)動下能使上平臺在空間里完成六個自由度方向(X 軸,Y 軸,Z 軸,繞 X 軸轉(zhuǎn)動 a 角,繞 Y 軸轉(zhuǎn)動刀角,繞Z 軸轉(zhuǎn)動 /角) 的運動,從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)。且平臺從機構(gòu)學(xué)上來講,理論分析計算方面己經(jīng)很詳實,和并聯(lián)機床、并聯(lián)機器人、各種模擬仿真器等功能大致雷同的。因此,對其自由度、運動學(xué)分析及工作空間解析作下介紹。（1） 平臺自由度解析由圖 1.1 我們可以看出六自由度運動平臺的運動構(gòu)件數(shù) n=13，運動副數(shù) m=18，其中有 12 個萬向節(jié)鉸鏈、6 個圓柱副（萬向節(jié)限制的自由度數(shù)為 4，圓柱副限制的自由度為 4，所以該平臺的自由度數(shù)計算公式如下：（2-1）式子中：n 為活動構(gòu)件總數(shù)， m 為運動副總數(shù)，pi 為第 i 個運動副的限制自由度數(shù)。將以上數(shù)據(jù)代入公式得： F=6 ×13?(4×12+4×6)=6所以可知 Stewart 平臺的自由度數(shù)為 6，也就是說 Stewart 平臺可以模擬空間的任意運動。（2） 平臺運動學(xué)分析第一：建立位置坐標(biāo)系。根據(jù)平臺的二維平面圖建立圖 2.1 所示上下平臺的坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點 O 視作為基座下平臺靜坐標(biāo)系 O-XYZ 的中心點，OZ 軸與下平臺垂直，OX 軸、OY 軸分別在下平臺的平面內(nèi)。在上動平臺上標(biāo)記動坐標(biāo)系 O'一 X'Y'Z'，中心點以就是上動平臺的原點，上平臺被 O'Z'軸垂直，在上平臺平面內(nèi)有兩個軸分別為 O'X'軸和 O'Y’軸。在初始條件下，即六組驅(qū)動桿的位移均為零時或者在平臺處于平衡位置時，動坐標(biāo)系里的 O'X‘軸與 O'Y‘軸，分別與下平臺的 OX 軸、OY 軸兩兩平行6圖 2.1 六自由度平臺二維平面圖平臺的輸入構(gòu)件與輸出構(gòu)件之間存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系—平臺位置坐標(biāo)的分析,分別是位置正解、位置反解。理解這兩種位置求解算法是對平臺運動姿態(tài)進(jìn)行控制的充分條件。眾多研究經(jīng)驗表明分析串聯(lián)機構(gòu)的位置關(guān)系時,正解算法求解容易、反解算法復(fù)雜度很高,然而推導(dǎo)并聯(lián)式機構(gòu)存在的位置關(guān)系時,反解算法相對正解算法來講要相對容易。因此,我們對并聯(lián)式平臺的位置反解算法作了詳細(xì)介紹,對正解算法進(jìn)行相對簡略的分析。第二：位置反解算法。根據(jù)輸出構(gòu)件各種已知的位置與姿態(tài),對輸入構(gòu)件的位置進(jìn)行反解過程—機構(gòu)的位置反解。在現(xiàn)實的應(yīng)用中,六自由度平臺的 6 個空間位姿參數(shù) X,Y,Z,α,β,γ 往往是提供的,要控制平臺就需要求出六根液壓缸的位移長度 L1、L2…L6 。, 這就是事先知道輸出量求解輸入量,屬于位置反解推導(dǎo)。換而言之,如果機構(gòu)的尺寸大小、上平臺的具體位姿參數(shù)告訴后,就能把位置反解方程推導(dǎo)出來,最終實現(xiàn)控制平臺的空間姿態(tài)。在圖 2.5 中建立一種歐拉角坐標(biāo)系,并且在上、下平臺里分別創(chuàng)建動態(tài)與靜態(tài)坐標(biāo)系 O’-X’Y’Z’和 O-XYZ,所以上平臺的運動可以看作兩部分組成,即 O’- X’Y’Z’坐標(biāo)的原點 O’在 O-XYZ 三個坐標(biāo)軸(X、Y、Z) 方向上發(fā)生的平移,還有繞坐標(biāo)軸發(fā)生(α ,β,γ) 的旋轉(zhuǎn)。為了不發(fā)生角度之間的相互耦合,通常對剛體發(fā)生的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)由歐拉角來進(jìn)行描述,另外不同的旋轉(zhuǎn)次序也會產(chǎn)生不同的歐拉角規(guī)定。本研究中把歐拉角作如下規(guī)定：繞 Z’軸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn) γ 角,繞 Y’軸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn) β 角,繞 X’軸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn) α 角。下平臺 6 個鉸點的靜坐標(biāo)分別記錄為： 那么上平臺 6 個鉸點 a1,a2 …a6 的動坐標(biāo)分別記錄 且作為已知，容易求出相應(yīng)的姿態(tài)參7數(shù) X,Y,Z,α,β,γ 的上平臺 6 個鉸點的靜坐標(biāo)，根據(jù)數(shù)學(xué)知識計算空間坐標(biāo)系里兩點的距離便能得出 L1、L2…L6。圖 2.2 歐拉角坐標(biāo)系取 Al 與 al 作為例子分析求解與其相連接的液壓缸的位移長度為 Ll。由上面所描述的分解運動,則下面就是靜態(tài)坐標(biāo) 和動態(tài)坐標(biāo) 之間的轉(zhuǎn)換公式:（2-2）上式中 i 可取 1~6 中任意一整數(shù)， [T]是 α,β,γ 三個參數(shù)的構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)矩陣，而且矩陣[T]并不是已知的，接下來求解出旋轉(zhuǎn)矩陣。依照本研究對歐拉角的定義,如圖 2.5 所示,分別建立 4 個子坐標(biāo)系。第一步繞著 Z 軸轉(zhuǎn)過 γ 角度，則的關(guān)系變換如下：（2-3）上式用矩陣表示：（2-4）8繞 y’軸旋轉(zhuǎn) β 角度，其變換關(guān)系為：（2-5）繞 x’’軸旋轉(zhuǎn) α 角度，其變換關(guān)系為：（2-6）對上面的三個變換公式進(jìn)行合并,可得:（2-7）在沒有平移而只有旋轉(zhuǎn)的前提下,由上面旋轉(zhuǎn)變換的過程可以獲得, 可由 取代，兩者都是靜坐標(biāo)，同理 可由 取代，兩者都是動作標(biāo)，因此旋轉(zhuǎn)變化矩陣（2-8）把矩陣[T]導(dǎo)入轉(zhuǎn)換公式，求解出 ai 在靜坐標(biāo)下的坐標(biāo) ，那么求解出六個缸的空間長度 Li 為：（2-9）上式就是六自由度并聯(lián)機構(gòu)采用的位置反解方程,當(dāng)機構(gòu)的尺寸、動感平臺的位姿已知后，就能利用上式求出 6 個桿子的實際長度。 第三：位置正解算法。正解是指根據(jù)每個液壓缸的長度為 l*,求解上平臺的具體位姿 x*。下面介紹一種位姿的正解問題有效數(shù)值法,該數(shù)值法是參照求解含多個未知數(shù)的非線性方程組稱為 Newton 迭代法,它的特點是收斂速度快。依照機構(gòu)的具體位置反解的方程,求得變換關(guān)系式:（2-10）式中:J 稱為雅克比矩陣：9T 為桿長的一階導(dǎo)；為動平臺位姿的一階導(dǎo)；把式(2 一 12)的兩邊一起乘上 dt,然后用△1 表示桿長變化的增量,最后由△x 表示動平臺位姿的增加量,關(guān)系式為（2-11）上式（2-13）也可以表達(dá)為：（2-12）其中 x*為近似值,將 x'用 代替,可得 Newton 迭代公式:（2-13）上式`是迭代的次數(shù)，當(dāng) 達(dá)到規(guī)定的精度就會停止迭代,如果迭代時發(fā)生收斂，那么 就會收斂向 x*。借助于計算機的強大計算功能,會發(fā)現(xiàn)利用此種迭代法可以對所要分析位姿無限小的逼近其精度。此外,為了改善 Stewart 類型的平臺正解的實用性與工程性,工程項目中一般利用 Newton 迭代法外接傳感器法兩者結(jié)合六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型正解方法,并且在精度要求不是十分嚴(yán)格的情況下,此方法方便、使用。2.2 六自由度運動平臺的工作空間工作空間就是并聯(lián)運動機構(gòu)的工作區(qū)域，它是衡量并聯(lián)機構(gòu)性能的一個重要指標(biāo)。特別是當(dāng)并聯(lián)機構(gòu)應(yīng)用于并聯(lián)機床時，必須嚴(yán)格準(zhǔn)確地計算出其工作空間范圍，這樣才能避免事故的發(fā)生。根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)工作位置和姿態(tài)特點，我們可以把工作空間分為靈活工作空間和可達(dá)工作空間兩種：（1）靈活工作空間是指并聯(lián)機構(gòu)上的某一個參考點可以從沿任意方向到達(dá)該點的點的集合，靈活工作空間是完全工作空間的一個子集。對于并聯(lián)運動平臺來說，由于受到機構(gòu)條件的約束，平臺一般不能繞某一個空間旋轉(zhuǎn) 360 度，所以說并聯(lián)運動平臺一般是沒有靈活工作空間的。（2）可達(dá)工作空間是指并聯(lián)機構(gòu)在滿足各種約束條件的情況下，可以到達(dá)的所有空間點的集合，它在沒有考慮并聯(lián)機構(gòu)的姿態(tài)的情況下取得的。運動平臺在運動的過程中，為了保證運動桿件不發(fā)生干涉，我們在設(shè)計平臺時就必須首先計算出運動平臺的完全可達(dá)空間，包括動平臺可能到達(dá)的所有空間點，以此作為機構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。影響工作空間大小的主要因素有：并聯(lián)機構(gòu)的動、靜平臺半徑大小，運動10鉸鏈的運動角度范圍、中位高度、運動桿件行程、運動桿件自身體積等。一般來說，并聯(lián)運動平臺的工作空間都比較小。并聯(lián)機構(gòu)的工作空間范圍求解過程非常復(fù)雜的，其很大程度上取決于對平臺機構(gòu)的位置解答的研究成果，到目前為止還沒有得出一個非常完善的求解方法，現(xiàn)在采用的并聯(lián)平臺工作空間的計算方法主要有解析法、數(shù)值法和幾何法。當(dāng)運動鉸鏈轉(zhuǎn)角超過極限范圍或運動桿件間發(fā)生干涉，機構(gòu)就會產(chǎn)生破壞性損壞，發(fā)生事故，但運動桿件位移到達(dá)極限前，一般都會設(shè)有緩沖裝置的保護 ,損傷較小,所以一般把運動桿件的位移極限位置看成是平臺的運動極限位置。通常用的計算方法是根據(jù)桿件的位移范圍搜索出工作空間邊界 ,然后再進(jìn)行鉸鏈關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和桿件間干涉的校驗。可達(dá)空間邊界的判斷依據(jù)包括：運動桿件位移的上下限制、鉸鏈關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的極限和運動桿件間的干涉三個方面。對于六自由度并聯(lián)運動平臺，它的任何運動都是由六個單自由度運動 (三個平動和三個轉(zhuǎn)動)組合形成的 ,也就是由六個桿件的不同位移組合而成的,兩者存在一一對應(yīng)關(guān)系 ,也可以根據(jù)這個關(guān)系就可以找出運動平臺的運動極限范圍2.3 六自由度并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動方式機器人的驅(qū)動可分為電機驅(qū)動、氣動驅(qū)動和液壓驅(qū)動，每種驅(qū)動方式都有各自的優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍。1、氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動是最簡單的一種方式，工作介質(zhì)是高壓空氣，由于空氣的可壓縮性，實現(xiàn)精確控制較困難，但在能夠滿足精度要求的場合下，氣動驅(qū)動的方式是質(zhì)量最輕、成本最低的。2、電機驅(qū)動電機系統(tǒng)起動容易，可以設(shè)計成轉(zhuǎn)動慣量小，加、減速性能好的機器人系統(tǒng)，因而在輕載的情況下，電機傳動在高速、精度、小型化、節(jié)能等方面更能滿足工業(yè)機器人的需要。但是要得到大功率的輸出，電動機的重量和體積會很龐大。3、液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動能夠提供精確的直線運動，并且液壓傳動系統(tǒng)的輸出功率大，有較高的精度和響應(yīng)速度，調(diào)速范圍寬，在低速范圍內(nèi)，性能要優(yōu)于電機。液壓系統(tǒng)以液壓油為工作介質(zhì)，油液對運動部件可以起到潤滑作用，并通過油液的流動將一部分熱量帶走，實現(xiàn)系統(tǒng)的自冷卻，可延長元件和系統(tǒng)的壽命。另外11液壓系統(tǒng)的剛度比較大，有利于閉環(huán)系統(tǒng)的精確定位。同時，由于液壓系統(tǒng)的功率體積比大，采用液壓系統(tǒng)的集成回路可以將系統(tǒng)設(shè)計得較為緊湊，以減少系統(tǒng)所占用的空間。從上述分析可知，并聯(lián)機構(gòu)響應(yīng)快速，精度高，通常應(yīng)用于負(fù)載大的場合，與液壓驅(qū)動的條件符合。本文所研究的六自由度并聯(lián)機構(gòu)也正是基于液壓驅(qū)動的模式。12第3章 六自由度平臺控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 運動平臺的液壓系統(tǒng)簡介對六自由度運動平臺的液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模是本文研究的重點，六自由度并聯(lián)運動平臺液壓系統(tǒng)是由液壓缸驅(qū)動的，通過六個液壓缸的來回協(xié)調(diào)伸縮運動，實現(xiàn)動動平臺的六個自由度運動，整個液壓系統(tǒng)由液壓泵站、油路、電液伺服閥、電液伺服控制器和液壓缸和位移傳感器等組成。液壓伺服控制系統(tǒng)的動力機構(gòu)主要有以下三種方式：定量泵－溢流閥恒壓能源、定量泵－蓄能器－卸荷閥能源和恒壓變量泵能源。由于并聯(lián)機構(gòu)所需的功率比較大，并從節(jié)能角度考慮，在本文中選用的是恒壓式變量泵作為液壓系統(tǒng)動力機構(gòu)，它的優(yōu)點是效率高，適用于高壓、大功率、大流量、間歇工作的系統(tǒng)。它的缺點是恒壓式變量泵的調(diào)節(jié)速度較慢，當(dāng)系統(tǒng)需要的流量變化較大時，可能會因為泵來不及調(diào)節(jié)而引起壓力的突變，因此，這種能源機構(gòu)常常與蓄能器同時使用，蓄能器一方面可以消除壓力波動，另一方面可以適應(yīng)短期的流量峰值。液壓控制系統(tǒng)的控制方式主要分為兩大類：1、閥控系統(tǒng)，也稱節(jié)流控制系統(tǒng)。用控制閥來控制液壓油流入執(zhí)行機構(gòu)的流量，從而改變執(zhí)行機構(gòu)的運動速度，通常為恒壓油源供油。這種控制方式有閥控液壓缸和閥控液壓馬達(dá)。 2、泵控系統(tǒng)，也稱容積控制系統(tǒng)。用伺服變量泵給執(zhí)行元件供油，通過改變泵的排量來控制流入執(zhí)行機構(gòu)的流量，從而改變執(zhí)行機構(gòu)的運動速度。在泵控系統(tǒng)中，壓力取決于負(fù)載。這類控制方式有泵控液壓缸和泵控液壓馬達(dá)，本文研究的平臺液壓系統(tǒng)采用閥控液壓缸的控制方式。而液壓控制系統(tǒng)主要可以分為：液壓開關(guān)控制系統(tǒng)、電液伺服控制系統(tǒng)和電液比例控制系統(tǒng)三大類，三個控制系統(tǒng)的主要區(qū)別在于其控制精度水平上。液壓開關(guān)控制系統(tǒng)中的控制元件只有兩種工作狀態(tài)，也就是開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)。若要實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的高質(zhì)量的控制，則必須要求有足夠多的控制元件，把各個控制元件調(diào)整成某一特定的狀態(tài)，從而實現(xiàn)對受控對象的預(yù)定順序和要求動作的控制。開關(guān)元件簡單、工作可靠，不存在系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。可以利用計算機放大輸出數(shù)字信號來驅(qū)動開關(guān)元件動作，避免使用價格昂貴的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件，從而使控制系統(tǒng)變得更加簡單。此外，開關(guān)控制可以實現(xiàn)手動控制，也可以實現(xiàn)程序的自動控制，所以開關(guān)控制系統(tǒng)一般主要應(yīng)用在一些控制質(zhì)量要求不高、控制動作比較簡單的場合。電液比例控制系統(tǒng)是指在液壓傳動控制過程中，通過接受模擬信號或數(shù)字13信號，使輸出的流量和壓力能連續(xù)成正比地進(jìn)行控制。電液比例控制系統(tǒng)中的主控元件可以有無限種狀態(tài)，分別對應(yīng)于被控對象的無限種運動狀態(tài)。系統(tǒng)可以將幾個比例元件代替復(fù)雜的開關(guān)控制系統(tǒng)，可以大大的簡化了液壓控制系統(tǒng)。電液伺服控制系統(tǒng)是使伺服閥的輸出量正比于輸入的控制電流或電壓。由于伺服閥的快速響應(yīng)速度快，并且具有很高的控制精度，所以伺服控制系統(tǒng)在航空、航天、軋鋼設(shè)備以及試驗設(shè)備中得到了廣泛的使用，但是伺服控制的伺服元件制造成本非常昂貴，對油液的清潔度要求很高，系統(tǒng)的能耗也很大。液壓系統(tǒng)的能源是來自于液壓泵站的恒壓式變量泵，該泵驅(qū)動支撐動平臺的六個液壓缸運動，并通過電液伺服閥控制運動平臺的速度和位置，以實現(xiàn)六個自由度的運動。液壓泵輸出的壓力油分成六路，經(jīng)過電液伺服閥后進(jìn)入液壓缸。液壓能源的壓力是由變量泵調(diào)定，蓄能器的作用是作應(yīng)急動力源和消除壓力脈動的作用，并可以和恒壓變量泵一起給伺服系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供油壓力，保證了液壓控制系統(tǒng)的高性能。液壓泵的進(jìn)口過濾器可以防止油污進(jìn)入液壓泵，對液壓泵起到保護作用，延長變量泵的使用壽命。3.2 動力泵站動力系統(tǒng)為模擬平臺的運動提供能源，由于液壓伺服系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡潔、空間占用面積小、驅(qū)動力大、控制精度高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點，因此平臺的運動通過液壓控制來實現(xiàn)。液壓泵站是動力系統(tǒng)的主要部件，主要作用是給系統(tǒng)提供壓力油，是整個系統(tǒng)的主要動力源，同時兼具控制調(diào)解功能，它主要由各種控制閥、恒壓變量泵、電機、蓄能器、冷卻裝置和油箱等組成，結(jié)構(gòu)方面采用塊式集成布置方式，將油路直接做在輔助連接件上或液壓閥的閥體上，借助連接件及其油路孔道實現(xiàn)液壓控制閥及其它元件和管路的集成連接和油路連接，具有管件少、結(jié)構(gòu)緊湊、組裝方便、外觀整齊美觀、油路通路短，不易泄漏、維修方便等優(yōu)點。3.3 液壓系統(tǒng)的工作原理液壓系統(tǒng)工作原理和組成示意圖如圖 3.1 所示。工作原理:控制及監(jiān)控系統(tǒng)分別向六組模擬驅(qū)動系統(tǒng)的伺服閥對應(yīng)的發(fā)出橫搖、縱搖和縱蕩等六組信號，與各自的傳感器反饋回來的信號比較后，其差值經(jīng)伺服放大器放大，驅(qū)動相應(yīng)的伺服閥產(chǎn)生與之對應(yīng)的壓力流量(液壓放大)，使伺服缸的輸出與輸人信號成比例; 同時伺服缸的傳感器將輸出反饋到輸人端，構(gòu)成閉環(huán)控制， 6 組液壓伺服系統(tǒng)同時推動模擬平臺做各種搖擺，模擬實際環(huán)境。該系統(tǒng)采用分布式計算機控制，用單出桿的電液伺服閥控缸作為動力機構(gòu)，通過計算機由軟件進(jìn)行解藕14運算，實現(xiàn)臺體 6 個自由度的獨立和聯(lián)合運動。圖 3.1 液壓系統(tǒng)原理圖1) 液壓缸活塞缸內(nèi)徑 D 設(shè)計液壓輸出力 F=(π*D^2)*p/4依據(jù)上述計算得出:液壓缸直徑 D 為 80 mm，考慮到經(jīng)濟及維護保養(yǎng)性，選用標(biāo)準(zhǔn)系列的液壓缸活塞缸，活塞桿直徑 d 為 56 mm，可滿足使用性能要求。最大推力：F=π/4*64*200=100.5KN最大拉力：2)液壓泵的流量計算及液壓泵的選型設(shè)計條件:按系統(tǒng)六缸同時動作時，其平均速度 v 按 200 mm / s 進(jìn)行計算，故所需泵的流量為:q=6*A*v=6*π/4*64*2*60=360L/min以此為依據(jù)，選用兩臺某公司生產(chǎn)的斜盤式柱塞泵，型號泵，型號SYDFEE}X/AlOVSOl00P 液壓泵的排量分別為 140 mL/r,100 mL/r，驅(qū)動泵的電動機的轉(zhuǎn)速 n-1470 r/min，則總流量為 352 L/min 能滿足使用要求。3)壓力控制閥的選型根據(jù)變量泵的流量，系統(tǒng)的工作壓力按 P 為 21 MPa , 流量、l=150 L/min和 200 L/min 選取。選擇電磁溢流閥型號 :DBW16A} 30/315UG24,閥的最大流量200 L/min，調(diào)節(jié)壓力 21 MPa，最高壓力 32 MPa 能滿足伸用要求。4)計算液壓泵的驅(qū)動功率，選擇電動機根據(jù)恒壓變量泵的驅(qū)動功率:15選用電子比例控制的壓力流量復(fù)合控制泵，系統(tǒng)的壓力和流量與負(fù)載適應(yīng)，考慮到在使用過程中壓力和速度不會同時達(dá)到最大值，選取電機的功率為分別為 55 kW 和 45 kW。根據(jù)上述計算結(jié)果及泵的額定轉(zhuǎn)速 1470 r/min，選擇兩臺電動機驅(qū)動，型號為 Y200L} ,n =1470 r/min，功率分別為 55 kW ,45 kW，總裝機功率 100 kW .5)伺服閥流量確定和選型如果設(shè)定每個缸的最大速度為 0.3 m/s 則通過閥的流量為 q =50 x 30 x60 = 90 L/min，所以選伺服閥、壓力繼電器)產(chǎn)生誤動作，干擾液壓系統(tǒng)的正常下，影響液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性;同時液壓沖閥作的額定流量為 80 L/min，壓差為 0. 5 MPa，選用型號 SFL223,額定壓力 21 MPa ,閥芯直徑 9. 4 mm，可滿足使用要求。該六自由平臺采用上述設(shè)計的液壓伺服控制系統(tǒng)，六套液壓缸并聯(lián)的多支撐結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)橫搖、縱搖、舶搖、垂蕩、橫蕩、縱蕩動作獨立和組合運行，使整個平臺抗外負(fù)載干擾的能力明顯增強，剛度好，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)較快，承載能力大，可達(dá) 10T 以上，給平臺總體誤差的影響不會是一般串聯(lián)式機構(gòu)難以避免的疊加累積式的，誤差積累小，精度較高，姿態(tài)變化幅度可設(shè)定。16第4章 基于Solidworks 虛擬樣機建模與仿真虛擬樣機技術(shù)是建造物理樣機前對設(shè)計對象在計算機上建立的虛擬模型機,利用其完成設(shè)計對象功能的可行性及其工作性能的分析,更好地理解系統(tǒng)的運動特性、動力特性,比較設(shè)計方案,優(yōu)化設(shè)計,提高產(chǎn)品質(zhì)量和機械設(shè)計效率等。仿真模型的建立和模擬現(xiàn)實條件是虛擬樣機的重要基礎(chǔ)。筆者設(shè)計的六自由度液壓平臺因其自由度較多,正過程的運動仿真比較困難,進(jìn)行運動逆過程的仿真,即給定末部執(zhí)行器的運動軌跡或運動參數(shù),來研究各驅(qū)動液壓缸的運動參數(shù)和特性,包括平臺的建模、仿真運動過程、極限位置、最大運動量、干涉等。4.1 液壓平臺的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計液壓六自由度運動平臺本體結(jié)構(gòu)包括上、下平臺,變長桿系統(tǒng),鏈接上、下平臺和變長桿的鉸接元件,力傳感元件,位移傳感元件等,如圖 3.1 所示。4.1 六自由度液壓平臺裝配模型下平臺為固定平臺，上平臺為可動平臺臺,采用 6 根變長桿機構(gòu)驅(qū)動。6 根變長支桿采用鉸接在上、下平臺之間的液壓缸進(jìn)行運動驅(qū)動。從模仿人肌肉的角度出發(fā),為體現(xiàn)機構(gòu)、檢測一體化的思想,將力傳感器分別集成在液壓平臺的 2個平臺間的 6 個液壓缸的缸桿上,用 6 個一維拉、壓傳感器檢測 1 個六維力。位移檢測元件位移傳感器選用ＦＸ-11 型直流差動變壓器式位移傳感器。它把振蕩器、相敏解調(diào)器與差動變壓器封裝在一起,只需提供穩(wěn)定的直流電源,就能獲得與位移量成線性關(guān)系的直流電壓輸出。鉸接元件,采用萬向節(jié)鉸接設(shè)計。這樣,在支路上,上、下萬向節(jié)各有 2 個轉(zhuǎn)動的自由度,液壓缸伸縮有 1 個移動自由度,缺少的 1 個轉(zhuǎn)動自由度由液壓缸和液壓活塞桿的相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。按照上面的設(shè)計原則,采用的結(jié)構(gòu)尺寸：上、下鉸接元件的分布圓半徑分別為上平臺半徑ｒａ=300ｍｍ,下平臺半徑ｒｂ=600ｍｍ,液壓缸行程為 60ｍｍ,上、下平臺的初始位置高度為 h= ，上、下鉸接17點之間的距離和上平臺端鉸接元件的分布圓之間的關(guān)系滿足: 另外,為了保證鉸接元件運動副運動空間的充分利用,采用支座設(shè)計使鉸接元件在液壓缸的中間工作位置時處在原始狀態(tài)(即鉸接元件的軸線重合狀態(tài))。4.2 虛擬樣機的建立與仿真ＳＷ是美國 Solidworks 公司生產(chǎn)的完全基于ＮＴ/ Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺的集三維機械設(shè)計(ＣＡＤ) 、機構(gòu)運動仿真分析和結(jié)構(gòu)有限元分析(ＣＡＥ)、計算機輔助制造(ＣＡＭ) 、大型企業(yè)管理(ＰＤＭ) 等各種功能為一體的軟件。利用ＳＷ對六自由度液壓平臺進(jìn)行建模和運動分析,必須以三維實體為基礎(chǔ),合理選擇運動副和定義連桿的運動驅(qū)動,從而實現(xiàn)六自由度液壓平臺的正確運動仿真。同其它方法相比,該方法可以很容易解決看起來很復(fù)雜的機構(gòu)系統(tǒng)仿真問題。依托ＳＷ強大的運動分析功能,能精確地對研究對象進(jìn)行空間運動位置及運動參數(shù)的計算,并可以得出漂亮的虛擬現(xiàn)實的動畫演示,能夠很好地解決復(fù)雜機構(gòu)的運動規(guī)律問題。通過建立虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行仿真試驗研究,可以降低實驗成本,提高實驗效率。并且能夠?qū)\動狀態(tài)進(jìn)行仿真,檢查機構(gòu)設(shè)計的合理性等,對實際樣機的設(shè)計具有重要的參考和指導(dǎo)價值。4.2.1 零件建模機構(gòu)設(shè)計是和造型設(shè)計合為一體的,所以必須在零件模式下繪出零件的立體模型。Solidworks 是非常有效的三維設(shè)計軟件,利用軟件進(jìn)行實體建模十分方便。根據(jù)部件的形狀和尺寸,在 Solidworks 軟件的零件模塊中利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征創(chuàng)建方式建立各個零件的模型。在建模過程中,一定要充分利用各零部件之間的位置關(guān)系和連接關(guān)系,選擇合適的草繪平面、參照平面及特征的生成方式,即通過合理地設(shè)定各零件之間的父子關(guān)系,以盡量減少部件上的定位尺寸,提高設(shè)計效率。這里不做具體分析,主要零部件的建模結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。圖 4.2 部分零件的建模利用ＳＷ軟件的零件建模模塊(Ｐａｒｔｓ)生成六自由度液壓平臺各零件18的三維模型,其中平臺的基座、上平臺與液壓缸聯(lián)接用萬向節(jié)的聯(lián)接座,設(shè)計比較復(fù)雜和困難,因其接觸配合面為一空間面,與坐標(biāo)平面無任何位置關(guān)系,又要保證下動板處于中間位置時,液壓缸和兩側(cè)的萬向節(jié)的 4 個叉形接頭軸線重合,并要保證與基座相接的萬向節(jié)回轉(zhuǎn)中心分布在直徑 600ｍｍ的圓上,與下動板相接的萬向節(jié)回轉(zhuǎn)中心分布在直徑 300ｍｍ的圓上,萬向節(jié)兩兩成對,共 3 對,每對回轉(zhuǎn)中心間距 80ｍｍ,圓周分布。所以要經(jīng)過精確空間位置計算,利用構(gòu)建輔助線、輔助面、拉伸等方法完成建模。4.2.2 裝配設(shè)計六自由度液壓平臺的裝配設(shè)計較為復(fù)雜,包含萬向節(jié)的裝配、液壓缸的裝配、力傳感器的裝配、位移傳感器的裝配等,因零件較多,為方便裝配,采用自底而上的裝配方法。在具體操作中,應(yīng)該根據(jù)機構(gòu)的運動特點選擇合適的連接形式,并對運動元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束。正確地選擇并使用約束類型和連接形式,對能否成功地實現(xiàn)機構(gòu)的虛擬裝配與運動仿真至關(guān)重要。圖 4.3 部分零件分組裝配圖 4.4 自下而上裝配過程為了便于運動分析,按照運動特點進(jìn)行部件裝配,即按照部件的運動關(guān)系進(jìn)行19分組,如液壓缸體和位移傳感器裝配為一體,而力傳感器和液壓缸的活塞桿、位移傳感器的拉桿裝配為一體,萬向節(jié)和鎖緊螺母裝配為一體等。4.2.3 運動分析運動仿真是在成功建立了其裝配模型的基礎(chǔ)上,通過定義靜止部件、運動部件,并為在各起始運動件上定義驅(qū)動電機、選擇連接軸和運動方向、設(shè)定運動初始條件或參數(shù)等一系列操作來實現(xiàn)。打開設(shè)計樹右側(cè)的齒輪標(biāo)文件夾即為運動分析模塊( ＣｏｓｍｏｓＭｏｔｉｏｎ),它內(nèi)置于ＳＷ,使用ＡＤＡＭＳ/ＳＯＬＶＥＲ求解器,能對機構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和運動學(xué)分析 ,包括運動極限位置分析、干涉分析、軌跡跟蹤、測量、圖表、動畫生成,以及為ＡＤＡＭＳ及其它大型分析軟件輸出三維設(shè)計文件等。裝配體直接應(yīng)用于分析模塊,分析模塊會根據(jù)零件間的裝配關(guān)系而賦予零件間以恰當(dāng)?shù)倪\動副,表征運動關(guān)系。如液壓缸連接的螺紋,根據(jù)裝配關(guān)系會轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動副,實際機構(gòu)中是不運動的,即轉(zhuǎn)化的運動副多數(shù)不符合要求,因而仿真前不必改變裝配關(guān)系,直接在分析模塊中將轉(zhuǎn)化的運動副去掉,再根據(jù)需要重新定義。圖 4.5 液壓缸運動副和運動驅(qū)動的定義(1)運動副的定義裝配體設(shè)計中系統(tǒng)自動將最先導(dǎo)入的構(gòu)件作為固定構(gòu)件(先導(dǎo)入的基座為機架), 其后導(dǎo)入的構(gòu)件均為可動構(gòu)件,也可以手動進(jìn)行修改,運動分析模塊遵循這樣的原則。這樣根據(jù)需要將各零件間賦予不同的運動副,如缸體螺紋連接處及螺紋固定處賦予固定副(Ｆｉｘｅｄ),萬向節(jié)叉形接頭與基座、下動板支座、缸體、力傳感器間的連接為轉(zhuǎn)動副(Ｒｅｖｏｌｕｔｅ),活塞桿與缸體、位移傳感器測桿與主體間為圓柱副(Ｃｙ-ｌｉｎｄｒｉｃａｌ)等定義整個平臺。(2)運動驅(qū)動的定義仿真模塊提供了位移運動和旋轉(zhuǎn)運動兩種運動方式,每種方式提供無驅(qū)動、位移( 角度 )驅(qū)動、速度 (角速度) 驅(qū)動、加速度(角加速度 )驅(qū)動等運動類型,根據(jù)不同的運動類型,可定義為連續(xù)、步進(jìn)函數(shù)、諧波函數(shù)、齒條和表達(dá)式等方式。而六自由度液壓平臺的運動包括滾動、仰俯、轉(zhuǎn)動和 3 個平移運動,可根據(jù)運動形式的不同給出不同的驅(qū)動方式。(3)運動分析為保持上動板與基座平行的前提下,分別定義 1#和 2#液壓缸或 2#和 3#液壓20缸的運動為移動±25ｍｍ(因初始位置為中間位置,液壓缸行程為 50ｍｍ),共分四種情況仿真,得出其最大位移量,并繪制曲線。如圖 4.6 所示,分別是以中間位置為基礎(chǔ)的最大翻轉(zhuǎn)角度、最大平移距離和最大轉(zhuǎn)動角度仿真結(jié)果曲線。圖 4.6 中間位置最大翻轉(zhuǎn)曲線圖 4.7 中間位置最大平移曲線圖 4.8 中間位置最大轉(zhuǎn)動曲線21第5章 基于PID 的系統(tǒng) 控制5. 1 液壓伺服并聯(lián)平臺的動態(tài)模型平臺選用液壓驅(qū)動方式，主要是因為液壓缸能夠提供精確的直線運動，而且液壓傳動系統(tǒng)的輸出功率大，有相當(dāng)高的精度和響應(yīng)速度，且調(diào)速范圍大。由于并聯(lián)運動平臺的六個液壓伺服通道是相同的，故只對其中一個通道進(jìn)行傳遞函數(shù)推導(dǎo)，以便為控制器設(shè)計提供依據(jù)現(xiàn)將功率放大器、伺服比例閥、液壓缸及其負(fù)載作為廣義的被控對象，其結(jié)構(gòu)如圖 5. 1 所示。圖 5.1 被控對象結(jié)構(gòu)圖1 功率放大器功率放大器采用深度電流反饋方式，其傳遞函數(shù)為:（5-1）式中:Ka 為放大器增益，單位 AN;叱為力矩馬達(dá)線圈轉(zhuǎn)折頻率，單位 rad/s o由于 Wa 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于伺服比例閥的固有頻率，可以忽略，以上慣性環(huán)節(jié)可簡成一個比例環(huán)節(jié):（5-2）2.伺服比例閥其傳遞函數(shù)為:（5-3）式中: 為閥的阻尼比; 為閥的流量增益，單位 m3/A*s; 為閥的固有頻率，單位 rad/s。此傳遞函數(shù)是一個震蕩環(huán)節(jié)，當(dāng) 大于液壓缸與負(fù)載的固有頻率 時它可簡化成慣性環(huán)節(jié) ( 為閥的時間常數(shù))，當(dāng) 時它可進(jìn)22一步簡化成比例環(huán)節(jié)3.液壓缸與負(fù)載其傳遞函數(shù)為:（5-4）式中: 為缸與負(fù)載的阻尼比; 為缸的固有頻率，單位 rad/s ; Kv。為液壓缸的增益。干擾的傳遞函數(shù)為:（5-5）式中: 為總流量一壓力系數(shù)，單位 m5/N*s; Y 為液壓缸左右兩腔及其與伺服閥連接管路的容積之和，單位 m3 ; 為液壓油的體積彈性模量，單位Pa;A 為油缸有效工作面積，單位 m2; 為集中考慮作用在液壓主動關(guān)節(jié)上的等效干擾力。綜合上式，可得并聯(lián)運動平臺單通道伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方塊圖，如圖 5. 2 所示?？梢缘玫较到y(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:（5-6）23圖 5. 2 單通道伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方塊圖首先給主控機一個輸入信號，對運動平臺進(jìn)行位置反解，求得各個液壓桿的長度，將每個液壓桿長度信號傳輸給對應(yīng)的電液伺服控制單元，并按照設(shè)計的控制規(guī)律來控制進(jìn)入液壓缸的液壓油流量和方向，從而控制該液壓桿的長度以及位移變化的速度，在液壓機構(gòu)的運動過程中，反饋單元進(jìn)行位移信號的采集，將液壓機構(gòu)的位置信息反饋給主控機，構(gòu)成位置閉環(huán)，以此來達(dá)到位置的精確控制。5. 2 PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器中常用的控制規(guī)律是 PID 控制‘似一叫系統(tǒng)原理框圖如圖 5. 3 所示。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對象組成。圖 5. 3 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 rin(t)與實際輸出值 yout(t)構(gòu)成控制偏差:e(t)=rin(t)一 yout(t) （5-7）PID 的控制規(guī)律為:（5-8）24或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式:（5-9）式中:kp,為比例系數(shù);T1 為積分時間常數(shù);TD 為微分時間常數(shù)。PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:(1)比例環(huán)節(jié) :成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。C2)積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) T,，T,越大，積分作用越弱，反之則越強。(3)微分環(huán)節(jié): 反映偏差信號的變化趨勢 (變化速率) ，并能在偏差信號變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。計算機控制是一種采集控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續(xù) PID 控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計算機 PIC控制中，使用的是數(shù)字 PID 控制器。1 位置式 PID 控制算法按模擬 PID 控制算法，以一系列的采樣時刻點 kT 代表連續(xù)時間 t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即:（5-10）可得離散 PID 表達(dá)式:（5-11）式中: ；T 為采樣周期;k 為采樣序號，k=1.2.3….e(k-1)和 e(k)分別為第((k-1)和第 k 時刻所得的偏差信號。25這種算法有以下缺點，由于是全量輸出使得每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對 e(k)進(jìn)行累加，計算機運算工作量大;而且因為計算機輸出的 u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(k)大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是在實際場合中所不允許的，因而出現(xiàn)了增量式 PID 算法。2.增量式 PID 控制算法當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量時，采用增量式 P 工 D 控制。根據(jù)增量推理原理可得:（5-12）在采樣周期 T 己知的情況下，確定 kp , ki, kd,后，只需利用前后三次測量值的偏差，既可由式求出控制增量。采用增量式算法，計算機輸出的控制增量△u(k)對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)的位置增量，獲得 u(k)需要對增量行積累。增量式控制算法的優(yōu)點在于:由于計算機輸出的是增量，所以誤動作影響小。手動/ 自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換，此外，當(dāng)計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道和執(zhí)行裝置具有信號鎖存作用，故仍能保持原值。算式中不需要累加，確定增量△u(k) 僅與最近幾次采樣值有關(guān)，但同時采用這種算法積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出影響大。結(jié)合 MATLAB 做相關(guān)仿真實驗。26第6章 總 結(jié)六自由度并聯(lián)平臺是一個空間并聯(lián)運動機構(gòu)，可以通過改變六個可伸縮的支撐桿的長度來實現(xiàn)平臺的六種基本運動及其組合將船舶在海洋中搖擺的姿態(tài)和運動真實的仿真出來。但是六自由度并聯(lián)平臺是一個高度復(fù)雜的、強耦合的、存在嚴(yán)重非線性的系統(tǒng)，主要是針對轉(zhuǎn)臺機構(gòu)位置分析，包括位置正解和反解，并對六自由度轉(zhuǎn)臺的運動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了建模，進(jìn)行了運動學(xué)仿真，給出了液壓伺服并聯(lián)平臺的動態(tài)模型，并使用 PID 控制方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。