船模绳牵引支撑机构测控系统的研发

摘要

近年来，绳牵引柔性并联机构以其精度高、承载力大、干扰小、重量轻以及惯性小等优点，在医疗康复、重物装卸、航空风洞试验等方面得到了实际应用，但所查国内外资料中尚未发现绳牵引并联机构应用于船模拖曳水池试验。本文对绳牵引并联机构在拖曳水池试验中的应用进行探索和研究。
　　本文以交通运输部应用基础研究项目“用于游艇性能试验的柔性并联支撑机构系统及控制研究”为背景，以自主研发的船模绳牵引柔性支撑机构为研究对象，开发并实现船模绳牵引柔性支撑机构六自由度运动的测控系统，针对支撑机构运动学位置控制策略展开研究。
　　本文开展的主要研究包括:
　　1)根据船模绳牵引柔性支撑机构的功能和应用环境要求，研究支撑机构及其测控系统硬件平台结构。首先分析该柔性支撑机构的结构与绳索的相关性，及绳索与被控模型连接点要求，确定8绳牵引的6自由度支撑机构。采用矢量分析法和数值分析法建立基于笛卡尔坐标系的机构运动学模型，得到模型位姿和8根牵引绳绳长的映射关系。根据拖曳水池试验船模姿态控制要求，设计多输入/多输出的同步控制硬件平台。
　　2)通过试验法验证了单独采用Clipper进行闭环控制无法满足姿态角控制要求，确定基于绳长和被控模型姿态角控制的串级控制方案。主回路计算量大，采用PID控制算法和单神经元PID控制算法进行尝试，主副回路采用不同的采样周期。
　　3)系统用LabVIEW作为软件开发平台，采用模块化设计方法完成软件开发。系统软件包括运动控制模块、数据采集和储存模块、参数设置模块及硬件测试模块，实现被控模型6自由度运动控制、数据实时采集、显示和储存等功能。
　　4)分别采用PID控制器和单神经元PID控制器作为主回路控制器进行姿态角控制试验，实现被控模型2％和1％的姿态角控制精度。试验结果表明该测控系统软硬件设计及控制策略的可行性和有效性。由于试验条件及时间限制，仅采用位置控制方式研究支撑机构的运动学控制，对后续力/位混合控制策略研究及开展船模阻力试验进行了有益的尝试和探索。

目录

声明

摘要

1．1 选题依据和意义

1．2 绳牵引并联机构控制策略的研究现状

1．3 主要研究内容

第2章 测控系统的理论基础和控制方案

2．1 船模柔性支撑机构运动学理论

2．1．1 船模绳牵引支撑机构设计及坐标定义

2．1．2 运动学理论分析的数学基础

2．1．3 位置逆解计算

2．1．4 位置正解计算

2．2 Clipper控制系统分析

2．3 测试试验及控制方案

2．4 控制算法

2．4．1 PID控制算法的原理

2．4．2 单神经元PID控制算法的原理

2．5 本章小结

第3章 测控系统硬件设计

3．1 测控系统硬件结构设计

3．2 Clipper控制系统设计

3．2．1 Clipper控制系统硬件结构

3．2．2 数据传输线路设计

3．3 电机驱动模块的设计

3．3．1 电机选型

3．3．2 控制方式的选择及控制参数设置

3．4 供电电路设计

3．5 数据输入模块硬件设计

3．5．1 姿态测量模块的硬件设计

3．5．2 拉力传感器及其硬件设计

3．6 本章小结

第4章 测控系统软件设计

4．1 系统软件总体设计

4．1．1 软件需求分析

4．1．2 软件总体结构设计

4．2 人机界面设计

4．3 Clipper参数调试

4．4 运动控制模块程序设计

4．4．1 通信程序设计

4．4．2 轴运动控制

4．4．3 直线运动控制

4．4．4 姿态角控制

4．4．5 回零控制

4．5 姿态测量程序设计

4．6 绳拉力测量程序设计

4．7 本章小结

5．1 直线运动控制试验

5．1．1 单轴直线运动控制

5．1．2 多轴直线运动控制

5．2 姿态控制试验

5．3 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间科研成果情况