水下柔性臂动力学建模方法研究

将柔性臂应用到水下环境,探索一种新型的水下作业工具。在空间柔性臂动力学建模方法的基础上,考虑水动力做功以及水动力对柔性臂变形的影响,首先基于Hamilton原理建立中心刚体-水下柔性臂组成的刚柔耦合系统的动力学模型,然后采用假设模态法对动力学模型进行离散化,导出了考虑刚柔耦合作用的水下柔性臂有限维离散化动力学方程。最后给出仿真算例,验证了动力学模型对于研究水下柔性臂末端变形的有效性,能够准确反映水下柔性臂动力学特性,可用于水下柔性臂的主动控制研究。     

基于人机交互的重载机械臂控制方法

针对目前重载机械臂控制系统存在的人机交互性不足问题及重载带来的刚柔耦合问题,设计了一种基于动力学模型的人机交互闭环力/位控制算法,并依据该算法设计了7自由度重载机械臂控制系统.首先分析了国内外重载机械臂的工作特点和存在的问题,提出基于力/视觉反馈的人机交互方式来增强系统的人机交互性;然后为抑制刚柔耦合带来的控制问题,建立了重载机械臂刚柔耦合动力学模型,提出基于人机交互的重载机械臂力/位闭环控制算法.最后搭建重载机械臂控制系统,搭建的控制系统包括人机交互子系统、环境感知子系统、驱动子系统、信息处理子系统及通信子系统.在此基础上,进行重载机械臂控制系统作业试验.试验结果表明,该控制系统能够完成人机交互作业功能,相对于传统重载机械臂作业手段,有效提高了作业效率70%,保障了作业人员安全,验证了所提出控制系统的人机友好性、可行性和实用性.     

深空探测柔性太阳帆航天器动力学建模与姿态控制

太阳帆利用太阳辐射压力提供太空航行的必要动力,由于具有理论上的无限速度和无需消耗任何燃料等优势,被认为是完成未来深空探测任务的有效技术途径之一.柔性太阳帆航天器的动力学模型包括多体动力学、刚柔耦合动力学和太阳辐射光压模型,复杂的动力学特性导致其姿态控制设计具有很强的挑战性.针对带有控制杆的柔性太阳帆航天器,本文采用拉格朗日方程和有限元法,给出了面向控制的解析式动力学模型.所推导的刚柔耦合动力学模型,刻画了太阳帆航天器的本质动力学特性,即双框架控制杆的短周期运动,姿态与柔性太阳帆的耦合效应,以及在太阳光压恢复力矩下的姿态静稳定性和长周期运动.基于带控制杆的太阳帆航天器的双时间尺度特性,提出了双回路控制结构,用于实现航天器俯仰轴和偏航轴的姿态控制.将内回路设计为PD控制器,用于实现质心位置的调整.将外回路设计为PID控制器,用于阻尼姿态运动,并实现在平衡太阳光压力矩下的姿态保持.从而将柔性太阳帆航天器的复杂姿态控制问题转化为两个低阶子问题,实现了在不同频带上的控制设计.仿真结果验证了动力学建模和姿态控制设计方法的有效性.     

分布式气动控制综合试验台的研究

设计了一种以PLC为基础的分布式气动实验台,利用Porfibus总线连接总站和各从站,从站可作为独立控制单元完成部分简单气动控制,也可以作为主站的一个部分完成复杂的控制过程.文章介绍了实验台的构成,对气动回路进行了详细的说明,并以客车门的气动开关为例验证了实验台的功能.     

基于Simpack的重载操作机刚柔耦合动力学分析

首先介绍了柔性物体进行动力学分析时连体基的选取原则,以保障物体的小变形效应.进而阐述了在连体基下弹性物体的主模态、约束模态,以此作为重载操作机刚柔耦合动力学分析的模态基底.由Jourdain虚功率原理,详细推导了刚柔耦合动力学分析虚功率方程,并且得到多体动力学分析的微分控制方程.另外,本文由流量守恒定律以及伯努利方程推导出液压等效的非线性刚度.最后,基于Simpack软件,分析了操作机提升运动和锻造作业两种典型工况.     

基于一阶剪切板理论的FGM板刚柔耦合动力学建模与仿真

对作大范围运动功能梯度材料(functionally graded materials,FGM)厚板的刚柔耦合动力学问题进行了研究,基于一阶剪切变形理论,从连续介质理论出发,计及了变形位移场中的二次耦合变形量,利用Lagrange方法推导了FGM厚板的刚柔耦合动力学方程,该方程适用于普通均质板和FGM板的动力学分析.采用20自由度矩形单元对变形场进行离散,对不同转速下的悬臂板进行动力学仿真,比较了本文建立的基于一阶剪切理论的模型和基于经典薄板理论的模型,验证了本文模型的正确性以及经典薄板理论的一些不足.研究了不同功能梯度指数下,FGM厚板的横向变形、速度响应频率和固有频率.结果表明,随着转速增大,剪切项对结构动力学行为影响变大;考虑横向剪切项的情况下,计算结果更偏柔性.     

基于ADAMS的变摇臂比配气机构仿真分析

本文在ADAMS中建立了变摇臂比配气机构的刚体模型与刚柔耦合模型,并做了仿真分析比较,验证了刚柔耦合模型在变摇臂比配气机构运动分析中的可行性,为变摇臂比配气机构的设计提供了一种简捷可行的方法。     

基于并行计算的氢电耦合直流微电网仿真研究

氢电耦合直流微电网对能源结构调整、可再生能源高效消纳等方面有着重要意义,然而目前此类系统缺乏高精度仿真支撑,不利于相关原型设计快速推进。针对此问题,对氢电耦合直流微电网仿真进行了研究并设计了相应仿真软件。首先,针对氢电耦合直流微电网的多功能需求,提出了基于设备-控制-场景三元素定义的模型库设计方法,采用欧拉算法实现微电网系统暂态仿真。其次,针对不同系统规模与运算平台,采用多核并行计算方法,提出了自适应并行计算最优模式选择算法,提高了仿真效率。基于上述理论分析,形成了基于并行计算的氢电耦合直流微电网仿真验证软件。实验结果表明,该软件可用于氢电耦合直流微电网的仿真验证,提高了较大规模系统的运算效率。     

基于ADAMS的变摇臂比配气机构仿真分析

本文在ADAMS中建立了变摇臂比配气机构的刚体模型与刚柔耦合模型，并做了仿真分析比较，验证了刚柔耦合模型在变摇臂比配气机构运动分析中的可行性，为变摇臂比配气机构的设计提供了一种简捷可行的方法。     

基于T-S模糊模型的多机耦合电力系统脉冲控制研究

基于模糊控制理论,研究多机耦合电力系统的控制问题.首先采用T-S模糊模型逼近非线性多机耦合电力系统,得到简化的分段线性模型,然后采用脉冲控制策略来实现非线性多机耦合电力系统的镇定.基于李雅普诺夫稳定性理论,得到易于验证的稳定性条件,可借助Matlab中的线性矩阵不等式(LMI)工具箱求解.最后以2机耦合电力系统为例,验证所提方案的有效性和实用性.     

Observer-based continuous finite-time attitude control for rigid–flexible coupling satellites

In this paper, a novel finite-time attitude control law is proposed for rigid–flexible coupling satellites in large angle manoeuver. First, the rigid–flexible coupling dynamic model is set up to reflect the coupling effect between the deformation of flexible appendages and the spatial movement of the rigid hub. Then an extended state observer (ESO) is designed to estimate and compensate the total perturbation including high-order flexible coupling terms, external disturbances and uncertain inertia. Following this, a continuous finite-time attitude controller is designed based on non-singular fast terminal sliding mode (NFTSM) and fast power reaching law, which is introduced to smooth the control input and eliminate the chattering. Numerical simulation is designed to verify the finite-time stability, high accuracy, disturbance rejectionand vibration damping of the proposed control scheme and then a ground experimental system is set to further test the controller's practicability.     

基于Lagrange法的刚体与柔体动力学对比研究

对于机器人、航天器和车辆悬架部件等一些多体系统来说,其中一些部件的大尺寸、轻型化趋势使得传统的刚性体建模已经难以准确地模拟实际的工况,将部件所具有的柔性特性加入到多体系统模型中进行柔体动力学仿真,由于考虑了部件弹性变形与大范围刚性运动之间的耦合,故可以得到部件更为真实的动力学行为.文中通过与基于Lagrange法的刚体动力学基本方程进行对比研究,详细说明了柔体动力学方程中上述的耦合作用.以某大型雷达可展开天线为例,分别在刚体和柔体的假设下对其展开运动进行动力学仿真,结果表明采用柔性体仿真更能真实反映其动力学特性.     

基于Adams的剪式稳定架刚柔耦合分析

采用CATIA对剪式稳定架系统进行三维建模,基于ANSYS和Adams建立刚柔耦合动力学模型。考虑剪式稳定架的柔性特征,对刚柔耦合模型升降过程的3种工况进行动力学仿真分析,得到运动过程中剪式稳定架应力分布规律、连接铰点力和接触力。分析方法和结论可指导剪式稳定架的设计。     

Coupling characteristics of rigid body motion and elastic deformation of a 3-PRR parallel manipulator with flexible links

Modeling of multibody dynamics with flexible links is a challenging task, which not only involves the effect of rigid body motion on elastic deformations, but also includes the influence of elastic deformations on rigid body motion. This paper presents coupling characteristics of rigid body motions and elastic motions of a 3-PRR parallel manipulator with three flexible intermediate links. The intermediate links are modeled as Euler–Bernoulli beams with pinned-pinned boundary conditions based on the assumed mode method (AMM). Using Lagrange multipliers, the fully coupled equations of motions of the flexible parallel manipulator are developed by incorporating the rigid body motions with elastic motions. The mutual dependence of elastic deformations and rigid body motions are investigated from the analysis of the derived equations of motion. Open-loop simulation without joint motion controls and closed-loop simulation with joint motion controls are performed to illustrate the effect of elastic motion on rigid body motions and the coupling effect amongst flexible links. These analyses and results provide valuable insight to the design and control of the parallel manipulator with flexible intermediate links.     

细长柔性空间结构几种动力学模型的比较

对于自由-自由边界的大型柔性梁式空间结构在轨搬运过程中,其大范围刚体运动和柔性振动会相互耦合,是一类典型的刚柔耦合动力学问题.建立相对准确的动力学模型是设计良好控制系统的前提,但现有文献在研究该问题时却采用了忽略刚柔耦合作用的动力学模型并依此设计控制器,因此有必要建立耦合模型,并探讨其与非耦合模型之间的区别和适用性.首先针对结构自身运动特点选择以瞬时质心为原点的浮动坐标系作为辅助坐标系,将结构两类不同的运动形式进行分解,并利用其产生的附加约束条件简化虚功表达式;其次选择Euler-Bernoulli梁变形形式描述结构变形并采用假设模态法对变形进行变量分离;基于虚功原理推导得到结构大范围运动的刚柔耦合动力学模型;通过仿真算例1对非耦合模型、零次近似模型和一次近似模型进行了对比,验证了非耦合模型的不合理性及零次近似简化模型的准确性和有效性;通过仿真算例2对零次近似简化模型和一次近似模型的对比,说明了二者的使用范围;仿真对比为后续的运动控制系统设计和振动抑制研究提供了依据.     

基于Virtual.lab的柔性并联机器人仿真平台

为了实现柔性并联机器人的快速可视化建模,提供柔性并联机器人动力学分析的新途径,针对柔性并联机器人系统内刚体、柔体耦合的难点,利用Virtual.lab软件对VBA的支持及其处理机械系统弹性动力学问题的优势,结合数据库技术、参挝数化建模原理和柔性并联机器人动力学仿真的特点,对Virtual.lab软件进行二次开发,建立柔性并联机器人动力学仿真平台,可实现柔性并联机器人动力学特性的分析.该平台操作简单,建模效率高,计算速度快,便于机械工程师在机械设计中使用.为柔性并联机器人结构优化设计及运动学、动力学规划指标的确定提供科学依据.     

麦弗逊前悬架的刚柔耦合模型仿真及优化分析

在Adams/Car环境中建立某车麦弗逊前悬架的多刚体模型和刚柔耦合模型,分别对其进行双轮同向激振仿真,分析车轮定位参数的变化规律. 结果证明刚柔耦合模型和多刚体模型分析结果基本一致.针对车轮定位参数变化规律的不合理性,利用Adams/Insight对悬架部分硬点进行灵敏度分析并优化硬点坐标,使车轮定位参数在一定的范围内变化,改善悬架的性能.     

考虑刚-柔-热耦合的板结构多体系统的动力学建模

对热载荷作用下中心刚体与大变形薄板多体系统的动力学建模问题进行研究.基于Kirchhoff假设,从格林应变和曲率与绝对位移的非线性关系式出发,推导了非线性广义弹性力阵,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的有限元离散的动力学变分方程.为了考虑刚体姿态运动、弹性变形和温度变化的相互耦合作用,推导了热流密度与绝对节点坐标之间的关系式.引入系统的运动学约束方程,建立了中心刚体-矩形板多体系统的考虑刚-柔-热耦合的热传导方程和带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日动力学方程.为了有效地提高计算效率,将改进的中心差分法和广义-α法相结合,求解热传导方程和动力学方程,差分后的方程通过牛顿迭代法耦合求解.对刚-柔耦合和刚-柔-热三者耦合两种模型的仿真结果进行比较表明,刚体运动对温度梯度和热变形的影响显著.此外,本文建模方法考虑了几何非线性项,因此也考虑了热膨胀引起的轴向变形对横向变形的影响.     

COMBINED PD-H∞ APPROACH TO CONTROL OF FLEXIBLE LINK MANIPULATORS USING ONLY DIRECTLY MEASURABLE VARIABLES

A control scheme for flexible link manipulators, which makes use only of directly measurable variables and thus is well suited for practical implementations, is presented. The scheme is based on a combined PD-H X design that takes into account the actual coupling between the rigid and flexible dynamics of these kinds of manipulators and needs feedback only from directly available sensor readings. This contrasts with other approaches reported in the literature that require full-state feedback or even feedback of the rigid unperturbed variables, which simply cannot be measured. It is shown that the proposed design, in spite of its ease of implementation, maintains good closed-loop tracking properties.     

Substructure synthesis methods for dynamic analysis of multi-body systems

The formulation for the dynamic analysis of flexible multi-body systems that undergo large rigid body motion, leads to geometrically non-linear inertia properties due to large rotations. These inertia non-linearities that represent the coupling between gross rigid body motion and small elastic deformation, are dependent on the assumed displacement field. As alternatives to the finite element methods, deformable body shape functions and shape vectors are commonly employed to describe elastic deformation of linear structures. In this paper, substructure shape functions and shape vectors are used to describe elastic deformation of non-linear inertia-variant multi-body systems. This leads to two different representations of inertia nonlinearities; one is based on a consistent mass formulation, while the other is a lumped mass technique. The multi-body systems considered are collections of interconnected rigid and flexible bodies. Open and closed loop systems are permitted.