（机械电子工程专业论文）超大型天线馈源指向跟踪系统的力学分析及控制研究.pdf

摘要 摘要 在国家自然科学基金重点项目的支持下，基于前人的工作，本文主要对新一代 超大口径球反射面射电望远镜f a s t ( f i v e - h 啪d r e dm e t e ra p e m 雌s p h e r i c a lr a d i o t e l e s c o p e ) 馈源指向跟踪系统的力学分析与控制进行研究。完成的主要工作和取得 的研究结论归纳如下： 1 基于柔索的弹性悬链线方程，针对超大型天线的特点，建立了f a s t 馈源 舱柔索支撑系统的非线性静力学模型，导出了系统静态刚度矩阵的解析表达式。 由刚度表达式可见，系统刚度与馈源舱的位姿、舱索固接点的位置、柔索数目以 及柔索拉力有关。最后，通过数值算例和物理实验验证了分析方法的正确性和有 效性。 2 根据馈源舱柔索支撑机构交流伺服驱动系统的等效电路模型，建立了由 伺服驱动电机到卷扬机的机电系统的动力学模型。在该模型中不但考虑了摩擦非 线性环节的影响，而且还考虑了未建模动态等干扰的影响。在此基础上，针对该 交流伺服驱动系统，设计了一种模糊滑模控制方法。这种方法通过分阶段的加入 指数趋近控制来加快系统响应，同时利用模糊控制器实时调整滑模控制的趋近律 参数。不仅保证了控制系统的快速性和鲁棒性，而且有效地削弱滑模控制的颤动； 另外，该控制方案设计简单，便于工程应用。以馈源舱柔索支撑系统交流伺服驱 动机构为对象进行数值仿真，结果表明这种控制方法能够获得良好的控制精度和 较强的鲁棒性。进一步证明了理论分析的正确性和设计方法的有效性。 3 应用拉格朗日方程建立了馈源舱柔索支撑系统的动力学模型，解决了已 知馈源舱运动轨迹，对馈源舱柔索支撑系统的逆运动学、逆动力学问题。同时， 在考虑舱体动态运动过程中惯性力影响的前提下，进行馈源舱柔索支撑系统的轨 迹规划，进一步可求解特定长度的柔索对处于某一位姿的馈源舱的作用力，并采 用具有二次收敛性的n e 叭o n r a p | l s o n 迭代法进行解算，得到了更快的求解速度以 满足控制的要求。数值计算结果表明，舱体中心的运行轨迹与运动要求相吻合： 索长、舱体沿各坐标方向的位移、速度和加速度符合周期变化曲线；舱体上作用 力的数值合理；从两验证了所建立的馈源舱柔索支撑系统的动力学模型是正确的。 同时为进一步实现馈源舱柔索支撑系统的精确控制奠定了基础。 4 通过对馈源舱柔索支撑系统动力学的强非线性、参数不确定性以及受到 外界干扰等系统特性的分析，探讨了该类控制系统的控制特点和适用的控制策略。 进一步，设计了一种将常规p i 控制和f u z z y 控制相结合的f u z z y p i 混合离散控制 策略来实现馈源舱轨迹跟踪控制。这种控制策略不仅能发挥模糊控制鲁棒性强、 动态响应快的特点，而且具有常规p i 控制器的动态跟踪品质和稳态精度。在此基 超人刑天线馈源指向跟踪系统的力学分析及控制研究 础上，为了进一步提高f u z z y p 1 混合离散控制系统的适应能力，设计了一种带有 自调整因子的模糊控制规则。为了验证该f u z z y p i 混合离散控制算法的优良控制 性能，在相同给定条件和扰动下把f u z z y p i 混合离散控制算法与常规模糊控制和 离散非线性p i d 控制算法进行了比较研究。数值计算及结果分析表明，该f i l z z y - p i 混合离散控制方法可在较大程度上补偿系统的非线性特性，并能提高系统响应的 快速性、运动跟踪精度以及抗扰动能力。 5 根据k e d ( 砥n e t oe l a s t i od y l l a r n i ca n a l y s i s ) 原理建立了柔性支腿s t e w a r t 平台的动力学模型。解决了己知动平台运动规划轨迹，求各滑动关节驱动力的动 力学逆问题。由于充分考虑了动平台惯性、支腿惯性、支腿弹性和关节摩擦等因 素，保证了模型的准确性。这种动力学模型为研究s t e w a n 平台高精度轨迹跟踪控 制奠定了基础。针对该机构的非线性、强耦合和多输入多输出等特点，设计了 种p i d 神经f 回络控制器( p r o p o n i o n a l 一i m e g r a l 一d e r i v a t i v e n e l l r a l n e 铆o r kc o n 劬1 1 e r ) 来实现精调s t e w a n 平台的高精度轨迹跟踪。这种p i d 神经网络控制策略采用基于 优化神经网络的p i d 解耦控制，将p i d 控制规律融进神经元之中，既具有神经网 络自学习、自适应及逼近任意函数的能力，又具有常规p i d 控制器结构简单、可 靠性高等特点。理论分析和数值计算结果表明了该方法的有效性。 关键词：柔索支撑系统；非线性刚度分析； 交流伺服驱动系统；模糊滑模控 制；非线性动力学分析；f 1 l z z y - p i 混合离散控制； 柔性s t e w a r t 平台：p i d 神 经网络控制；轨迹跟踪 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 h i sw o r kw a ss u p p o n e db yc h i n e s en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o nl l i l d e r g r a n tn o i0 4 3 3 0 2 0 o nt h eb a s i so f 幽ep r e d e c e s s o rw o r k ，t 1 1 i sp a p e ri sm a i l l l y c o n c e m e d 砸幽t 1 1 em e c h a i l i c sa n a l y s i s 觚dc o n t r 0 1o fm ef e e d 仃a c k i n gs y s t e mf o rt l l e n e x tg e n e r a t i o n 跚p e ra j l t e n n a ，w l l i c hi s l en e wd e s i 印p r o j e c to ff i v e - h u n d r e dm 衙 a p e 山es p h e r i c a lr a d i ot e l e s c d p e ( f a s t ) 1 1 1 em a i nr e s e a r c hw o r k sc a l lb ed e s c r i b c d a sf - o 儿o w s 1 b a s e do nt l l ee l a s t i ca n a l y t i c a le q u a t i o no fc a t e i l a 吖o fac a b l ew i t l l 铆o e l l d p o i n t sf i x e da i l dc o n s i d e r i n gt h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u p e ra n t e 衄an o i l l i n e a r s t a t i cm e c h a l l i c a 王m o d e lo fm ec a b l e - s u s p e n d e ds y s t c mi sd e r i v c d a c c o r d i l l gt ot i i e 1 l i g l l l yn o m i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne 1 1 df o r c e0 fac a b l ea r l dc a b i nd i s p l a c e n l e n t ，t h e i n c r e 】：n 咖le x p r e s s i o no ff b r c e s0 nc a b i ne x e r t e db yt 1 1 ec a b l e s u s p e n d e ds y s t e m ，i n t e n n so fc a b i l ld i s p l a c e m e n t ，i sf b 肋u l a t e db a s e do n 廿l es t a t i cm 1 1 a 商c a lm o d e l ，锄d 血e nt i l ea i l a l 州c a ie x p r e s s i o no ft h es t a t i cs t i 插嘴s sm 矧xi so b t a i l l e d i tc a nb en o t e d 散吼t 1 1 ee x p r e s s i o nm a tm es t a t i cs t i m l e s so fc 曲l e s u s p e n d e ds y s t e ml l a sr e l a t i o n s 、i t l l p o s i t i o n 孤dp o s t i l r eo ft h ec a b m ，p o s i t i o no fc o n n e c t i o np o i mb e t v 佗e nm ec a b i i la l l d t h ec 曲l c ，a n dt 1 1 en 啪b e ra i l dd r a gf b r c eo f t l l ec a b i e i nt 1 1 ee n d ，t i l ec o r r e c n l e s sa n d e 虢c t i v e n e s s “t h e 弛a l y s i sm e m o di s v e r i f i e db yt l l ec o m b i i l a t i o no fn 啪e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p 幽e n 屯a lr e s e a r c h r e s u l t sb e t 、v e e ns i i i l u l a t i o na i l de x p e r i m e n tc a n b e m a t c h e d f a m y w e l l 2 a c c o r d i i l gt ot 1 1 ee q u i v a l e n tc i r c u i to f m es e r v o m e c l l a i l i s m ，t l l ed y n 锄i cm o d c l o ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i r 培s y s t e mf o rt l l e c a b l e - s u s p e n d e dm e c h a l l i s mi s d e v e l o p e di l lm ep r e s e n c eo fi i l t e m a lm o d e lu n c e n a i m i c si nb o t l ln o l l l i n e a r 赫c t i o na n d s e n ，o m e c h a l l i s md y n 锄i c sa n de x t e m a ld i s n 】r b a i l c e s d u et ot h ei l l l l e r e n tc h 獬t e r i s t i c s o ft h en o i l l i i l e 撕移s n l l c t i l r c ，an o v e lc o n t r o l 加m h o dc o m b i l l i n gs l i d i n gi n o d ec o n t r o l 、v i t i l l z z ) rl o 百cc o n t r o li sd e s i g l l e df o rt l l es a k eo fr e a l i z i n gm et r a j e c t o r yt r a c k 抽go f t 1 1 eo 巧e c t t h ea p p r o a c ha p p l i e s 如z z yc o n n d l l e rt oa 4 j u s tt 1 1 ep a 舢e t e 船o fr e a c hl a w o fs l i d i n gm o d ed m e l y a tt h es a n l et i m et 1 1 ee x p o n e n t 印p f o x i l l l a t i n gc o n 廿o l i sa d d e d b yg r a d i n g t b j sa p p r o a c hn o t0 1 1 l ye n s u r e s 也es p e e d i n e s sa n dr o h l s t r 地s so f t h ec o n 舡o l s y s t 锄，b u ta l s oc a i lw e a 王( e nc h a t t e r i n g ，a i l dt h ed e s i 弘o ft h ec o n ls y s t e mi ss i m p l e a 1 1 di tc a l lb ee a s i i y 印p i i e di nm ee n 百n e 嘶n g t 酞i n gt h e r v o m e c h a | 1 i s mm o d e lf o r t 1 ec a b l e s u s p e n d e ds y s t e m 船e x a r n p l e ，t h es i m u l a t i o ns t u d yo nt h ea l g o r i t h mi sc 删e d o m ，a n di t se 虢c t i v e n e s sa 1 1 dh i g h e fr o b u s t l l e s sa r ec o n f i m e d 超人掣大线馈源指向跟踪系统的力学分析及控制研究 3 a i m i n ga tt h ec a b l e s u s p e n d e ds y s t e m ，o nt h eb a s i so ft h ei n v e r s ek i n e m a t i c s a n a l y s i st h e 证v e r s ed y n a m i cf d 舢u j a t i o no f t h ec a b l e 吒a b i ns y s t e mw i t hn o n n e g i i g i b l e c a b l em a s sw a se s t a b l i s h e db ym e a n so fl a g r a i l g e se q u a t i o n s a tt h es a m et i m e ， c o n s i d e r i n gt 1 1 e i n e n i af o r c eo ft h ec a b i ni nm o t i o n ，t r a j e c t o r yp l 猢j n go ft h e c a b l e c a b i ns y s t e mi sc o n d u c t e d s oc h ea c t u a t i n gf o r c e so nt h ec a b i nl o c a t i n ga ta c e n a i np o s i t i o na n dp o s ec a nb es o l v e d 、v i t l lt h eg i v e nd r i v i n gc a b l el e n g t h s t h e e q u a t i o n sc a nb es o l v e db yu s i n gn e 、v t o n r a p h s o nm e m o dp o s s e s s i n gt l l eq l l a d r a t i c c o n v e r g e n c ep r o p e r w h i c hc a ng u a 舢t e ea 触e rc o m p u 切t i o ns p e e dt 0m e e tt h e r e q u i r e r n e n to f r e a lt i m ec o n t r o la l g o 一妇s i m u l a t i o nr e s u l t si l i u s 仃a t et h a tt h ec c n t e ro f m eca _ b i n 仃a c l ( st 1 1 ep l 舢e d 廿面e c t o r yr e l a t i v e l yw e l l ；m el e n g lo fc a b l ev 撕e s s y m m e t r i c l y ；t l l ef o r c e sa c n l a t i n go nt h ec a b i ni nt l l ed i r e c t i o no f 彳a n dy a r ee q u a lt o t h ec e n t r i p e t a lf o r c e si nm ed i r e c t i o no fza n dya st h ec a b i nm o v e sa l o n gt h ep a m ， r e s p e c t i v e l y ；o nt 1 1 eo t h e rh a l l d ，t 1 1 ef o r c ea c t i l a t i n go nt h ec a b i ni i lt 1 1 ed i r 。嘶o no fz e q u a l s 虹1 e 莎a v 蚵o ft h ec a b i n f 咖n 也ea f b r e m e n t i o n e dr e s i l l t s ，i tm a yb ec o n c l u d e d t h a tw e j u s t i 每t 1 1 ed y n 锄i cm o d e l i n gf o rc o n t r 0 1 4 t a h n ga c c o u 玎to fm em o d e lu n c e r t a i 埘e sa n de x t e m a ld i s t i j r b a n c e sf b rt h e c a b l e - s u s p c n d e ds y s t e m ，c o n 昀ls 仃a t e g yo f m en e x i b l es y s t e i ni sd i s c u s s e d ma d d i t i o n c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t 谢s t i c so fn o l l l i n e a r i 坝s l o wt i m e v a r y i n g ，a i l d m u l t i v a i r i a b l e c o u p l i n go fm es y s t e m ，af h z 巧c o n t r o ip i u sp r o p o r t i o n a i i i l t e g 蹦h y b r i dd i s c 弼t e t i m e c o n t r o lm e m o dc o m b i l l i n gp ic o n 订o l 谢t l lm z 巧1 0 百cc o n t r o l ，w l l i c hc a ne 1 1 1 1 a 1 1 c et l l e c o n 仃o lp e r f b r n l a i l c ef o rs t e a d ys t a t e 哪r s ，i sd e v e l o p c df o rm o r ee 虢c t i v ea n dr o b u s t p 簋f o 珊a i l c e n es c h e m e 埘mp f o p o r t i o n a l i n t e 黟a i t u 】1 1 i n gu 疵，w h i c ho p t i m i z e s 廿1 e c o n t r o lr u l e sb ya d j u s t i n gf a c t 眦s ，i su t i l i z e dt oc a 玎y0 1 n ( h e 仃a j e c t o r y 缸a c k i n go ft h e c a b i n f 0 rc o m p a r i s o l l ad i s c r e t e t i m en o i l l i n e a rp i dc o i 灯o la r i t l l m e t i ca i l da c o n v e n t i o n a l 如z 巧l o 舀cc o n 仃。玎e ra r ea l s ou s c df o r t h em o t i o nc o m r o l f o rt l l e c a b l e s u s p e n d e ds y s t e m t h es y s t e mi ss i m u i 蹴d 谢t he x p e c t e ds i 鲫a ii n p u tv i at h e c o n t r o l l e rb a s e d0 nt 1 1 ee s t a b l i s h e dd y n 眦i ce q u a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t l ec o n t r o l s y s t e ma c h i e v e sab e t t e r 仃a c k i n gp e r f b n a i l c ea n dt h ec o n t r 0 1s y s t e mh a ss t r o n g r o b u s n l e 船 5 o i lm eb a s i so f t h e 砸n c i p l eo f k e d ( k i n e t oe 1 a s t i od y n 锄i ca j l a l y s i s ) ，a i l m e r s ed y n a i i l i cf o 珊u l a t i o nf o ran e x i b l es t e w a r tp l a t f o 肌谢t he l a s t i cl e g si sd e 晰e d t l l r o u 曲n e w t o n e u l e rm e m o d ，w h i c hi n v o l v e st 1 1 ei n e r t i a so ft h ep l a t f o 加a 1 1 ds i xl e g s ， t h ee l a s t i c i t yo ft 1 1 ei e g sa i l d 衔c t i o n sa tj o i n t s s om i se s t a b l i s h e sab a s i sf o rr e a i i z i n g 山e t r a c k i n gc o n t r o lo ft 1 1 e s t e w a r tp l a t f o 加 i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f n o n l i n e a r i t y ，s t r o n gc o u p l i n g ，a 1 1 dm i m o ( m u l t i i n p ma 1 1 dm u i t i _ o u t p u t ) s y s t e m ，a a b s t r a c t p m p o 九i o n a l - i n t e 伊a j d e r i v a t i v en e u r a 王n e t w o r kc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt 0c a r r yo u tt h e h i g h p r e c i s i o nt r a j e c t o r yt r a c k i n go ft h ep l a t f o 加t 1 】ep i dn e u r a ln e t w o r ki sal ( i n do f f e e d f o n a r dm l l l t i l a y e rn e “v o r k i t sl l i d d e nl a y e rn e u r o n sa r ep m p o n i o n a ln e u m n ( p ) ， i n t e g r a ln e u m n ( i ) ，a n dd e r i v a t i v en e u r o n ( d ) t h en 啪b e r so ft h en e u r o n s ，t l l e c o n n e c t i v e 南n n sa n d 研m a r yv a l u eo f t h ew e i 曲t sa r eb a s e do nt 1 1 en l l e so f t 1 ep i d c o n 仃0 1 n ep i dn e u r a ln e t w o r kc o n 仃o l l e rc a l le 脆c t i v e l yi n c 唧o r a t en e 啪ln e t w o r k a 1 1 dp i dc 彻枉d 1i m oi t sb a s i cd e s i g i l ，a i l dh a sv e r yg o o dd y i l 跚i ca i l ds t a t i cp r o p e r 6 e s 1 1 1 er c s u l t so ft l l e o r e 缸c a la n a l y s 卸ds 抽u l a t i o nv e r i 母t l l a t 也ep r o p o s e dc o n t r 0 1 g t m t e g yi se f f e c t i v e 锄dr e a s o i 埭b l e ，孤dc a l lr e a l i z ed y l l 锄i ct 哪e c t o r yf o l l o 谢n gu n d e r t h ec o n d i t j o no f e x t l r n a ld i s m r b a n c e s k t y w o r d s ： c a b l e s i l s p e n d e ds y s t e m ；n o n l i n e 口s t i 饷e s s 觚a l y s i s ；a 1 t e m a t i n g c u r r e n ts c n ，o m e 删s m ； f u z z ) ，s l i d i n gm o d ec o n 打o l ； n o n l i n e a rd y n 删ca n a l y s i s ； f l l z 巧c o n t r o lp l wp r 叩o n i o n a l - i m e g r a lh y b r i dd i s c r _ 眦- t i m ec o n n d l ； f l e x i b l es t e w a r t p l a t f b r m ；p r o p o r t i o n a l i i l t e 蓼a l d e r i v a t i v e n e u r a ln 蜘r kc c 旺m o l ；t r 萄e c t o r y t r a c l 【i n g 土要符号表 一 口 b 嚣+ c c ( 叮，尊) e 口( 七) ，p ( 七1 ) 缸( 七) ， f = p tm 1 l f 主要符号表 柔索的横截面积 六个柔索塔基点构成正六边形的边长 柔索f 的局部坐标系到全局坐标系的坐标变换矩阵 矩阵曰的广义逆 滑动关节处的粘性阻尼系数 哥氏力离心力阵 柔索的弹性模量 第七和七一l 时刻所得的误差信号 误差变化信号 作用在馈源舱上的广义作用力 柔索f 对舱体的作用力 局部坐标系中柔索，端节点力的工分量，即水平分量 局部坐标系中柔索，端节点力的z 分量，即竖直分量 局部坐标系中柔素，端节点力的x 分量，即水平分量 局部坐标系中柔索，端节点力的2 分量，即竖直分量 柔索端节点，处作用力 柔索端节点，处作用力 柔索结构对馈源舱的合力 作用在馈源舱的惯性力 作用在馈源舱的外力 球铰对上部支腿的约束反力 虎克铰对下部支腿的约束反力 电机及负载折算到电机轴上的等效粘性摩擦系数 舱体绕坐标轴的转动刚度的数值计算值 舱体绕坐标轴的转动刚度的物理实验值 重力加速度 柔索的水平张力 局部坐标系中柔索量度的竖直高差 馈源舱在全局坐标系下的惯量阵 只只吆吆p乃毛只圪厶g q g日而， 超大型天线馈源指向跟踪系统的力学分析及控制研究 ， ， “：型 2 嚣 层= 告昨埘 肼 m e m t m 。 m 女 纸， 0 腕 馈源舱在局部坐标系下的惯量阵 柔索的f 端节点 j a c o b i a n 矩阵 柔索的，端节点 电机转子的转动惯量 减速装置等效到轴上的转动惯量 飞轮的转动惯量 卷筒机的转动惯量 舱索系统的刚度 电动机转矩常数 阻尼系数 比例系数 积分系数 微分系数 柔索的局部切向刚度矩阵 柔索f 的全局切向刚度矩阵 柔索的初始长度，即无应力状态下的长度 柔索受力变形后的实际长度 局部坐标系中柔索两端的水平跨距 柔索长度矢量 馈源舱柔索支撑系统的惯性阵 柔索结构对馈源舱的合力矩 馈源舱体关于舛由的力矩 电机的电磁力矩 馈源舱的质量 第f 条支腿上部分的质量 第，条支腿下部分的质量 伺服机构的减速装置的传动比 全局坐标系 如，j，以以以置以砟蜀t l 主要符号表 d l馈源舱中心点 0 l ，x z ， 馈源舱的局部坐标系 d 彳2 柔索局部坐标系 9 0 柔索的线密度 口馈源舱状态的位置向量 口馈源舱状态的速度向量 香馈源舱状态的加速度向量 足舱体的姿态阵 ，位置矢径 柔索端点e 的绝对矢径 舱体局部坐标系原点d 。的绝对矢径 。e 点在局部坐标系中的相对矢径 r ，馈源舱底部与顶部三个索耳的分布半径 j并列子网的序号 r采样周期 z坐标变换阵 乃= ，7 0 = ：百乏可f 柔索j 端节点力的模 = i 阿刈= ：孑刁可f 柔索，端节点力的模 0电机控制电压 u 。交流激磁电压 u势能 “，( 七)f u z 巧一p i 混合离散控制器的输出 “( 膏)模糊控制器的输出 材，( i )p i 控制器的输出 输入层神经元的输入值 w包含静摩擦力和弹性振动等未建模动态于扰 以输入层至隐含层的连接权值 诟隐含层至输出层的连接权值 x 。输入层神经元的输出值 儿( 七)第后时刻的期望输出 y ( | j ) 第j j 时刻的实际输出 堡 超人型天线馈源指向跟踪系统的力学分析及控制研究 甲= ( 口，) 7 p 口 o o q o j o d 善 巧 巳 缈：盟 西 馈源舱体的姿态坐标 体密度 柔索f 局部坐标系平面与全局坐标系朋z 平面的夹角 关节位置矢量 关节速度矢量 期望的关节位置矢量 期望的关节速度矢量 期望的关节加速度矢量 随机风荷干扰的影响项 各种误差与测量噪声等未建模动态的影响项 电动机轴的角位移 电机转子角速度 声明 创新性声明 本人声明所星交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名垫达： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、索引或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 壁达： 远毖： 日期塑z ! ! ：丝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 随着深空通信、雷达、射电天文以及航天技术的迅速发展，大中型天线结构 得到了广泛的应用【1 1 。1 9 5 7 年在英格兰的j o d r e l lb a l l i 【建造了口径达7 6 m 的全可 动天线( 图1 1 ) ，j o d r e l l b a n k 天线完成后的l o 年内，在澳大利亚的p a r k s 又建成 了口径为6 4 m 的天线( 图1 2 ) 。1 9 7 3 年德国人在e f r e l s b e r g 建成了口径达l o 嘶的 当前世晃上最大的全可动天线( 图1 3 ) 。 图j o d r e l l b a i l k 天线 图1 3e 髓l s b e r g 天线 图1 2p a r l 口天线 图1 4a r e c i b o 天线 尺寸巨大的反射面天线要实现空间运动，在机械上存在许多难题。为此人们 想到将反射面固定在地面上而使馈源在空间做扫描运动。美国阿里希博( a r e c i b o ) 射电望远镜天线就采用这个方案( 图1 4 ) 。口径3 0 5 m 的反射面架设在一个山谷里， 周围架设起三座高耸的钢筋水泥塔，用来悬吊庞大的扫描背架机构以实现馈源在 ! 超人犁天线馈源指向跟踪系统的力学分析及控制研究 空中的扫描运动。不过，a r e c i b o 天线也有其不足之处：1 ) 馈源的方位和俯仰运 动为纯机械方式，跟踪精度不高；2 ) 馈源背架结构重达8 0 0 多吨，自重大、造价 高；3 ) 反射面为球面，电磁波经球反射面反射后汇聚于一根线，需采用线馈源接 收信号，因而接收带宽较窄1 2 l 。 1 9 9 3 年国际无线电联大会上，包括中国在内的1 0 国天文学家提出建造巨型望 远镜计划，渴望在电波环境彻底毁坏前，回溯原初宇宙，解答宇宙学提出的众多 难题。在这一科学原动力驱使下，各国研究团队开始了新一代巨型射电望远镜的 工程概念研究例。自1 9 9 4 年起，通过不断探索，中国科学家提出在贵州喀斯特洼地 中建造5 0 0 m 口径球面射电望远镜f a s t ( f i v c - h u n d r c d m e t e ra p e r t l l r es p h e r i c a l r a d i ot c l e s c o p e ) 的建议和工程方案i ”。 图1 5 主动反射面结构示意图图1 6 馈源舱柔索支撑粗调机构 5 0 0 m 口径球反射面射电望远镜f a s t 将是国际上最大、最灵敏的射电天文 望远镜。利用贵州喀斯特洼坑作为台址，在洼坑内铺设5 0 0 m 球冠状反射面，通 过主动控制形成3 0 0 m 口径的抛物面以汇聚电磁波【5 】( 图1 5 ) 。由于f a s t 的最 高工作频率要达8 8 g h ：，这对点馈源的定位精度( 毫米级) 提出了非常高的要求， 因此，采用轻型柔索牵弓 馈源舱作为f a s t 一级粗调系统来保证馈源舱的运动定 位精度达到厘米级( 图1 6 ) 。同时，安装在馈源舱内的精调s t c w a r t 平台对馈源的 动态运动定位精度进行实时误差补偿( 图1 7 ) ，使馈源的动态运动定位精度保持在 毫米级睁聊。这三项创新开创了建造巨型望远镜的新模式。迄今，已形成完整的 f a s t 工程方案，如图1 8 所示【9 】。f a s t 涵盖的天文学内容丰富，从宇宙初始混 浊、星系演化、恒星乃至太阳、行星与邻近空间事件等的观测研究， 都有非常强 的竞争力，其中脉冲星探测、中性氢和奇异暗弱天体成像等课题蕴藏着巨大的发 现机遇。作为一个多学科研究平台，拟回答的问题不仅是天文的，也是面对人类 与自然的；它将在日地环境研究、深空探测和国家安全等方面发挥重要作用：其 建设将推动众多高科技领域的发展。 第一章绪论 3 图1 7 稳定s t e w a r t 平台精调机构 图1 8e a s t 两级调整结构示意图 基于上述光机电一体化设计方案的工程预研究已于1 9 9 5 年全面展开l l “。文【1 1 】 从柔索式馈源舱支撑系统的粗精两级调整系统出发，提出了并联宏一微机器人系 统的概念，并根据机器人运动学理论建立了该并联宏一微机器人系统的逆运动学 模型。文 1 2 】在文【】1 】的基础上进一步建立了舱索系统的静平衡方程，给出了力学 分析的详细过程，联立迭代求解了由馈源舱的位姿、舱体平衡方程、悬链线方程、 柔索张力等组成的非线性方程组。不过该模型在数值计算上却存在着求解过程需 要进行数值积分、计算量大、直接迭代求解时收敛速度慢等不足之处。文【1 3 】对精 调s t e w a r t 平台运动学最优结构优化设计、动力学分析及奇异性等问题进行了较为 深入的研究，取得了很多重要的成果。另外，采用独立控制策略，该文在关节空 间设计了基于运动学模型的自抗扰控制器以保证精调s t e w a r t 平台的高精度轨迹跟 踪控制。但该模型研究中没有充分考虑支腿的弹性变形和关节摩擦等因素。文 1 4 】 研究了f a s t 馈源舱支撑系统的减振与测量技术。文【1 5 】针对精调s t e w a r t 平台进 行了控制与结构同步优化设计研究。另外，在舱索支撑系统动力学模型未知情况 下，推导了舱索支撑系统输入与输出间关系矩阵的递推公式，并根据舱索系统变 结构特点，设计了基于神经网络的一步向前预测非参数模型自适应控制算法。该 控制策略不足之处是没有利用舱索系统的动态模型。近年来，随着计算机科学和 人工智能等控制理论的发展，使得早期的基于受控对象动力学模型的计算实时控 制方案得以进一步拓展和重视，成为提高控制系统性能的关键闯题之一1 16 】。因此， 现代控制策略的研究越来越重视和吸收传统控制中先进的、成功的动态系统理论 分析和数值计算技术，并向基于受控系统数学模型的分析综合型设计理论和方法 上发展。显然，深入认知受控系统的动态特性是设计鲁棒性和控制性能最优控制 策略的前提和基础f 1 7 】。文【1 8 】主要针对f a s t 主动主反射面进行了力学分析与优化 设计。本文主要讨论尚未深入研究的增强馈源舱柔索支撑结构刚度的方法及其对 电性能影响问题、馈源舱柔索支撑机构交流伺服驱动系统的动态建模与控制、馈 4 超大犁天线馈源指向跟踪系统的力学分析及控制研究 源舱柔索支撑粗调子系统的动力学分析与轨迹跟踪控制策略，以及柔性支腿 s t e w a n 平台的多体系统动力学建模与控制方法研究等工作。从理论分析和数值计 算等方面对这些关键技术作进一步有益的探讨和尝试，积累宝贵的经验，为最终 解决f a s t 馈源指向跟踪系统所面临的力学和控制问题奠定基础。 另外，为保证该项研究工作的顺利进行，国家自然科学基金给予了连续的支 持( “大射电望远镜线馈源结构与控制系统的机电光一体化设计( 5 9 6 7 5 0 4 0 ， 1 9 9 8 ) ”，“大射电望远镜系统机电光一体化设计中的耦合与控制( 5 0 0 7 5 0 9 5 ， 2 0 0 1 ) ”，“巨型射电天文望远镜( f a s t ) 总体设计与关键技术研究( 1 0 4 3 3 0 2 0 ， 2 0 0 4 ) ”，其中最后一项为重点项目；同时，得到了中科院知识创新工程重大项目 的支持( 大射电望远镜馈源支撑与指向跟踪系统的机电光一体化设计仿真与试验 研究) 。 1 2 并联机器人机构学理论与控制技术 从并联机器人的角度来看，馈源舱柔索支撑系统与并联机器人s t e w a r t 平台相 似，因此可以认为是一种并联机器人。机器人学是一门综合性很强的交叉学科， 而机器人主要用于生产活动，以提高生产效率或产品质量，它集中了机械工程、 电子工程、计算机工程、自动控制工程及人工智能等多种学科的最新研究成果， 代表了机电一体化最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。另外，它 也是一个新兴的科技领域，内容极为丰富、广泛。其中专业性比较强的有机器人 运动学和动力学，机器人轨迹规划和运动控制，机器人的传感器技术，机器人的 编程语言，机器人的智能和任务规划等。机器人动力学是机器入学的重要组成部 分，是机器人机构及控制系统设计的基础。 机 器 人 控制器计算机v 第一章绪论 内传感信息 图1 9 机器人系统的基本结构 机器人是一种机电一体化的设备， 部分：机器人、控制器、环境和任务， 形式。 从控制观点来分，机器人系统可以分成四 如图1 9 ( 口) 所示。图l 。9 ( 6 ) 为其简化 1 2 1 并联机器人机构学理论 并联机器人是由并联机构而来。1 9 6 2 年，罗马尼亚人g o u 曲采用并联机构设 计了一种六自由度的轮胎测试机。1 9 6 5 年，德国人s t e w a r t 将这种机构作为飞行 模拟器用于训练飞行员。这种六自由度的并联机构由上下平台及6 根驱动杆构成， 驱动杆可以独立地伸缩，且分别由球铰与上下平台连接，这样，上平台就具有6 个 自由度。1 9 7 8 年，澳大利亚机构学教授h u m 提出将这种6 自由度的s t e w a r t 平 台机构作为机器人手臂。随着对这种并联机构研究的不断深入，人们将凡是上下 平台由两个或两个以上分支相连，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方 式驱动的机构统称