自由浮动柔性空间双臂机器人的混合抑振控制

针对一种双臂4关节末端为柔性连杆的自由浮动空间机器人,将自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的柔性杆视为Euler-Bernoulli梁.采用假设模态法对柔性连杆的变形进行近似描述,忽略高阶弹性振动模态,根据拉格朗日法,并结合系统动量守恒,推导了自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的动力学方程和振动方程;考虑弹性变形、建模误差及扰动项,以及动力学的非线性强耦合效应,在模态空间下,采用模糊滑模及最优控制的混合控制方法,讨论空间柔性双臂机器人操作臂在捕获运动时的轨迹跟踪及振动抑制问题.仿真实验表明,混合控制可以削弱滑模控制的抖振程度,使得滑模控制的输出更平稳,有效地抑制柔性连杆产生的弹性振动,保持操作臂末端轨迹跟踪的鲁棒性.     

参数不确定漂浮基柔性空间机械臂载体姿态、关节协调运动及柔性振动主动抑制的混合控制方案

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,漂浮基柔性空间机械臂系统可保证载体姿态、关节角协调运动变结构控制鲁棒性并同时抑制所产生柔性振动的混合控制方案。该变结构控制仅设计来完成渐近解耦的载体姿态及关节角轨迹追踪,而不能对柔性振动模态进行控制;为了主动抑制柔性杆的振动,使用虚拟控制力的观念生成了变结构控制所需的混合轨迹,从而为柔性空间机械臂设计了追踪混合轨迹的混合控制方案。数值仿真结果证实了该混合控制方案在系统参数不确定情况下,能够使载体姿态及机械臂关节角稳定地追踪期望轨迹并对所产生的柔性振动进行主动抑制。     

基于压电换能器的柔性梁动力学建模及主动振动控制

本文以Euler-Bernoulli柔性梁为研究对象,在铰接-自由的边界条件下,运用哈密尔顿原理以及变分和积分的数学方法建立了柔性梁系统的动力学模型.采用假设模态法离散柔性梁的弹性变形,通过数值求解得到柔性梁弹性变形的振型函数.为了能够快速抑制柔性梁的弹性振动,基于压电换能器对其进行主动振动控制.结合压电换能器的传感器和作动器的动力学模型,推导了压电换能器主动控制力作用下柔性梁系统的整体动力学方程.利用MATLAB/Simulink对所建立的动力学模型进行仿真实验研究,发现在施加外界主动控制力的作用下,柔性梁系统的弹性振动得到了有效的抑制.     

漂浮基柔性空间机械臂关节运动增广变结构控制及柔性振动主动抑制

讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基柔性空间机械臂系统基于混合轨迹的关节运动增广变结构控制,该控制方案能够同时主动抑制柔性杆产生的振动.基于一般期望轨迹的增广变结构控制仅能完成渐近解耦的关节空间轨迹追踪,并不能抑制柔性杆的振动;为了对柔性振动模态进行主动控制,使用虚拟控制力的观念生成了同时反映关节期望轨迹和柔性...     

柔性机械臂的动力学模型及滑模变结构控制

本文针对轴向不伸长的Euler-Bernouli梁模型,采用假设模态法,对带有末端荷载的柔性机械臂,推导出考虑动力刚化影响的柔性机械臂有限维一致线性化动力模型.通过极点配置技术设计滑模超曲面参数,采用滑模变结构控制方法,实现关节转角的运动轨迹控制.采用LQR方法设计弹性模态稳态器,抑制由于刚体运动而激发的弹性振动.文中最后针对一单杆柔性机械臂进行了计算机仿真,验证了本文所提出的控制策略的有效性.     

空间柔性机械臂弯扭耦合振动的主动控制研究

由于太空机械臂的结构形式和末端操作对象的影响,空间多连杆机械臂系统存在着强烈的刚柔耦合的非线性特性。针对伺服驱动的空间柔性机械臂系统,基于经典振动理论,提出柔性臂弹性弯曲、扭转的变形假设,然后采用假设模态法和Lagrange方程得到系统的动力学方程。为了抑制系统在大范围运动过程中的弯曲、扭转弹性振动,提出了基于Lyapunov稳定性的模糊自适应速度反馈控制策略。数值仿真结果表明:空间机械臂系统在转动过程中必然会激起柔性臂的弹性振动;采用提出的控制策略利用压电剪切致动器和压电扭转致动器不仅可以抑制柔性臂的弯曲和扭转振动,还可以降低伺服电机的驱动扭矩,提高柔性机械臂系统的末端定位精度。     

智能柔性构件振动改进多模态正位置反馈控制

为实现较少致动器数目下柔性构件多个振动模态的主动控制,基于力学原理及模态理论建立智能柔性构件动力学方程。在研究单模态PPF控制器性能特点及稳定条件基础上,提出考虑不同模态权重的改进多模态PPF控制器。采用根轨迹法分析系统的闭环阻尼特性确立各阶PPF控制器最佳控制参数并进行数值仿真;搭建实验平台验证相关分析及控制策略的有效性。结果表明,所提考虑模态权重的改进多模态PPF控制器利用单组致动器能有效抑制柔性梁构件的多阶振动模态、显著缩短柔性构件振动的衰减时间。实验中柔性构件的衰减时间由6 s减少为2.5 s。实现较少数目致动器下柔性构件多阶弹性模态的振动主动控制。     

关节柔性的漂浮基空间机器人基于奇异摄动法的轨迹跟踪非奇异模糊Terminal滑模控制及柔性振动抑制

如果在漂浮基空间机器人系统动力学建模和控制方法设计过程中忽略关节柔性的存在,其控制系统的精度和稳定性将受到极大影响。以考虑关节柔性、系统参数不确定的漂浮基空间机器人系统为研究对象,讨论了其动力学建模过程、运动轨迹跟踪控制方案设计及柔性振动振动抑制。结合拉格朗日第二类方法并结合系统动量、动量矩守恒关系,分析、建立了系统动力学方程。以此为基础,为了同时实现空间机器人运动轨迹的渐近跟踪和抑制由关节柔性引起的系统弹性振动,采用奇异摄动理论的双时间刻度分解,将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢时标子系统和表示系统柔性运动部分的快时标子系统。针对慢时标子系统设计了非奇异模糊Terminal滑模控制方案。该控制方案采用非奇异Terminal滑模面,并基于模糊逻辑系统自适应调整控制律的切换项,不但克服了在设计中需要知道系统不确定性的上界的限制,又消除了滑模变结构控制器抖振的缺点。针对快时标子系统,采用速度差值反馈控制律来抑制关节柔性引起的系统弹性振动,保证系统的稳定性。仿真时以平面两刚性臂、两柔性关节的漂浮基空间机器人系统为例证明了所提出方法的有效性。     

基于模型预测控制的高速柔性并联机构振动控制

由于高速柔性并联机构系统的非线性和不确定性,提出一种鲁棒模型预测振动控制策略以抑制系统的振动响应。以压电陶瓷为作动器,电阻应变片为传感器,采用有限元方法和模态截断技术建立机构不精确动力学模型。机构动力学模型中的非线性因素、耦合因素及系统高阶模态影响作为扰动,将模态力视为不确定扰动,并且考虑输出噪声对系统的影响,建立系统动态响应的预测模型,以预测输出值。采用Kalman滤波估计器估计系统状态量,以控制电压及其变化率为约束条件,将系统性能指标和约束条件化为一个标准二次规划优化问题,通过求解这一优化问题来得到最优控制输出,形成滚动优化控制输出来抑制系统振动响应。采用表征作动能量的可控性指标和表征观测信号能量的可观性指标,确定作动器和传感器的最优位置。以新型2自由度并联机构为实例,采用实验模态方法得到系统的前2阶固有频率和阻尼比,与有限元方法得到的结果比较分析表明理论模型不精确。基于该模型采用dSPACE实时仿真系统和MATLAB/Simulink搭建鲁棒控制系统,进行振动主动控制试验研究。试验结果表明,所设计的控制器能有效地抑制柔性构件产生的弹性振动,验证了控制器的有效性和鲁棒性。     

基于Stewart平台的大柔性空间桁架结构振动控制

针对大柔性空间桁架结构的振动主动控制问题,提出一种根部测控一体化方案,即采用CCD相机在桁架根部对桁架振动进行非接触式测量和采用Stewart六杆并联平台固连在柔性桁架根部作为主动设备进行振动控制。采用ADC自适应控制算法,并基于dSPACE实时仿真系统,搭建了振动控制实验平台。文中使用音圈电机激振器分别作为外扰和内扰,激发柔性桁架的低阶模态,通过视觉测量系统测得振动信号,采用Stewart平台在桁架根部对振动进行抑制。低频外扰谐振实验,桁架振动振幅衰减87.7%;低频内扰谐振实验,桁架振动振幅衰减91.8%。实验结果证明文中提出的桁架振动根部测控一体化方案的有效性,尤其适用于空间可展开结构的振动控制。