运载火箭燃料一般具有剧毒或易燃易爆等特性,因此推进剂自动化加注技术得到了各国广泛的关注。火箭燃料加注的自动化本质上就是实现地面与箭上脐带连接器的自动对接和脱落。然而,由于受风载的作用,箭上脐带连接器接口会随箭体作一定的摆幅运动,因而自动脐带连接器需具备动态对接和随动能力,这使得自动脐带连接器系统的设计与控制变得十分困难。本文以某运载火箭脐带连接器的自动对接任务为研究背景,结合具体的应用工况,提出了一种基于电液伺服三平动并联平台,同时结合弹簧支链六自由度柔顺机构的自动对接脐带连接器方案,并以此为研究对象,对电液伺服并联平台的对接轨迹跟踪控制策略展开了研究。然而,自动脐带连接器的伺服控制十分复杂。首先,电液伺服并联平台自身具有强非线性和不确定性,同时,由于其多输入多输出的系统本质,其在关节空间同时存在动力学耦合和运动学耦合现象,因此其高精度伺服控制仍是一个难点。其次,在对接过程中,地面连接器与箭体之间将存在一定的交互作用力,因此若控制器缺少良好的抗干扰能力将很可能导致系统的发散和失稳,这使得对接轨迹跟踪控制相较传统无交互作用的轨迹跟踪控制更具难度。为此,本文系统且逐层深入地对自动脐带连接器的高性能伺服控制开展了研究。具体地,本文的研究工作主要包括以下几个方面:(1)对于受风载作用的箭体,其箭上脐带连接器接口的运动主要体现在三个平动自由度,而在三个转动自由度上的运动较小(≤±0.25°)。针对该特点,提出了一种基于电液伺服三平动并联平台,同时结合弹簧支链六自由度柔顺机构的自动对接脐带连接器方案。随后,基于上述机构完成了对接轨迹规划,并基于ADAMS软件开展了各种工况下的对接仿真。仿真结果表明,系统具有良好的对接特性,即使当柔顺机构处于最大补偿位姿时,系统的对接性能仍远优于指标要求。另外,根据对接仿真结果,分析了液压驱动器的负载特性,进而完成了并联平台液压伺服系统的设计工作。(2)建立了并联平台完整的非线性数学模型,包括运动学和动力学模型两部分。对于运动学建模,建立了并联平台的位置正反解模型,以及速度、加速度和跃度的反解模型;同时,基于Kane方法建立了并联平台的动力学反解模型,并进一步地导出了并联平台基于关节空间的动力学模型。针对关节液压驱动器,通过对液压缸力平衡方程,流量连续性方程和伺服阀流量方程的分别建模,建立了其完整的状态空间方程。进一步地,基于上述模型,开展了对电液伺服并联平台的非线性、不确定性以及耦合特性分析。通过上述系统建模与和特性分析工作,可为后续高性能控制器的设计奠定基础。(3)针对并联平台关节空间的动力学耦合问题,开展了其分散控制方法研究。首先,基于关节扰动估计提出了一种并联平台的分散鲁棒控制策略。在控制器设计前,针对一类存在未知扰动的单输入单输出系统,给出了其一种基于扩张状态观测器的扰动估计方法,并对其进行了稳定性分析。随后,将关节外部扰动与其自身模型不确定统一处理为关节的匹配与不匹配不确定,并通过设计两个扩张状态扰动观测器对其进行同步精确估计和补偿,进而实现了系统在关节空间的间接动力学解耦。对于扰动观测误差,则在控制器中通过设计鲁棒控制律进行有效抑制。仿真结果表明,扰动观测器对于关节中的匹配与不匹配不确定均具有良好的观测补偿能力。相较传统的PID型控制和单扰动观测器分散控制,其具有更优的轨迹跟踪性能。为了进一步提升系统在关节空间的动力学解耦性能,提出了一种基于关节测力解耦的并联平台分散间接自适应鲁棒控制策略。该方法利用力传感器直接实现对关节外负载的精确测量和补偿,进而实现系统在关节空间的直接动力学解耦。同时,控制器通过引入参数自适应律和非线性鲁棒控制律分别实现了对关节不确定参数的在线辨识和不确定非线性的有效抑制。该控制器在理论上全局稳定,且当关节自身只存在参数不确定时,系统具有渐近跟踪性能。仿真结果表明,当关节自身无不确定非线性时,关节测力解耦分散控制具有更高的轨迹跟踪精度,同时不确定参数具有良好的收敛特性。但是,当关节自身存在不确定非线性时,关节跟踪精度有一定程度恶化。(4)为了保证关节当同时存在外部干扰和自身不确定非线性时获得渐近跟踪性能,提出了一种融合关节测力解耦和扰动估计的分散连续积分鲁棒控制策略。该方法利用关节测力实现系统在关节空间的直接动力学解耦,并通过引入扰动观测器和连续积分鲁棒控制律实现对关节自身不确定非线性的精确观测和观测误差的有效抑制,进而可保证系统在控制输入连续和较低反馈控制增益的前提下在理论上获得全局渐近跟踪性能。仿真结果表明,该控制策略通过提升关节的扰动补偿和抑制能力,其可以在关节空间进一步提升系统的轨迹跟踪性能和抗干扰能力。(5)针对并联平台在关节空间的运动学耦合问题,提出了一种基于交叉耦合方法的并联平台鲁棒同步控制策略。首先,通过使用关节扰动观测器建立了并联平台基于关节空间的动力学解耦模型。其次,采用交叉耦合方法定义了一种关节同步误差用以表征关节运动的同步性,同时通过设计鲁棒同步控制律保证了关节轨迹跟踪误差和同步误差的同时收敛。仿真结果表明,鲁棒同步控制器在不影响关节轨迹跟踪性能的前提下,通过提升关节运动的同步性进一步提升了并联平台在工作空间的轨迹跟踪精度。(6)搭建了自动脐带连接器系统原理样机并展开了实验验证。实验结果表明,样机方案总体合理可行,同时提出的控制策略能够满足系统的对接性能要求,自动脐带连接器系统达到了预研阶段的设计目标,为其下一步的工程化应用建立了基础。