Details

Данная работа посвящена разработке и исследованию математической модели и алгоритмов управления шестистепенной платформой Стюарта, установленной на подвижном основании (судне), с целью компенсации воздействия морской качки и стабилизации положения верхней платформы. В работе рассматривается задача обеспечения устойчивого положения и ориентации платформы при воздействии внешних возмущений, вызванных движением судна. Особое внимание уделено учёту взаимного влияния динамики платформы и основания, что позволяет более точно описывать поведение системы в реальных условиях эксплуатации. В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были решены следующие задачи: Построена кинематическая модель платформы Стюарта, включающая описание движения в трёх системах координат (инерциальной, связанной с судном и связанной с верхней платформой), а также получены выражения для длин исполнительных механизмов и матриц Якоби. Разработана динамическая модель системы «платформа Стюарта — судно», учитывающая силы, создаваемые гидроцилиндрами, и их влияние на движение как платформы, так и основания. Сформирована математическая модель гидроприводов, учитывающая сжимаемость рабочей жидкости, ограничение по расходу и наличие вязкого трения. Синтезирована система управления на основе ПД-регуляторов, обеспечивающая стабилизацию положения верхней платформы и управление длинами исполнительных механизмов. Реализована имитационная модель в среде MATLAB/Simulink, позволяющая исследовать поведение системы при различных законах движения судна и заданных траекториях платформы. Проведён численный анализ работы системы, включающий моделирование компенсации вертикальных перемещений и угловых колебаний судна, а также оценку точности следящей системы. В результате выполнения работы получен алгоритм управления движением платформы Стюарта, обеспечивающий стабилизацию её положения в инерциальной системе координат за счёт синхронного изменения длин исполнительных механизмов и учёта динамического взаимодействия с подвижным основанием. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании систем компенсации качки для морских платформ, телескопических трапов, посадочных площадок и других робототехнических комплексов морского назначения.

This work is devoted to the development and study of a mathematical model and control algorithms for a six-degrees-of-freedom Stewart platform mounted on a movable foundation (vessel) to compensate for the effects of sea motion and stabilize the upper platform. The work addresses the problem of ensuring a stable position and orientation of the platform under external disturbances caused by vessel motion. Particular attention is paid to accounting for the mutual influence of the platform and foundation dynamics, which allows for a more accurate description of the systems behavior under real-world operating conditions. The following tasks were solved during the final qualifying work: A kinematic model of the Stewart platform was constructed, including a description of motion in three coordinate systems (inertial, vessel-bound, and upper platform-bound). Expressions for actuator lengths and Jacobian matrices were also obtained. A dynamic model of the Stewart platform-vessel system was developed, taking into account the forces generated by hydraulic cylinders and their influence on the motion of both the platform and the foundation. A mathematical model of hydraulic drives was developed, taking into account the compressibility of the working fluid, flow limitations, and the presence of viscous friction. A control system based on PD controllers was synthesized, ensuring stabilization of the upper platforms position and control of the actuator lengths. A simulation model was implemented in MATLAB/Simulink, allowing the systems behavior to be studied under various vessel motion laws and given platform trajectories. A numerical analysis of the systems operation was conducted, including modeling the compensation of the vessels vertical displacements and angular oscillations, as well as assessing the accuracy of the tracking system. As a result of this work, a control algorithm for the Stewart platforms motion was developed, ensuring stabilization of its position in an inertial coordinate system by synchronously changing the actuator lengths and taking into account the dynamic interaction with the moving base. The obtained results can be used in the design of pitch compensation systems for offshore platforms, telescopic gangways, landing pads, and other marine robotic systems.

• Обозначения и сокращения
• Введение
• 1. Кинематика платформы Стюарта на неподвижном основании
• 2. Модель динамики платформы Стюарта на неподвижном основании
• 3. Пример работы модели классической платформы Стюарта
• 4. Платформа на подвижном основании. Кинематика
• 5. Платформа на подвижном основании. Динамика
• 6. Движение платформы при учёте влияния работы гидроцилиндров на движение судна
• 7. Постановка задачи управления, математическое моделирование гидроприводов и выбор регуляторов платформы на палубе судна.
• 8. Моделирование платформы без учёта влияния гидроцилиндров на качку судна
• 9. Моделирование платформы с учётом влияния гидроцилиндров на качку судна
• Заключение
• Список использованных источников