柔性空间机械臂基于混合滑模思想的自适应变结构控制

研究了柔性空间机械臂协调运动控制及柔性振动抑制问题。利用假设模态法及系统动量守恒关系,导出了空间机械臂的系统动力学模型。基于混合滑模思想,针对系统惯性参数存在不确定的复杂情况,提出了一种柔性空间机械臂本体姿态、关节协调运动的自适应变结构控制方案。该文所引入的混合滑模由频率成形最优滑模及终端滑模两部分组成。前者用于抑制系统柔性杆件的振动,后者则是为了保证系统追踪误差在有限时间内的收敛性。此外,上述控制方案由于在控制过程中无需预知系统的柔性变量,因此可有效避免对系统柔性状态变量进行实时地测量与反馈,较适于实际应用。仿真运算,证实了所提控制方法的有效性。     

混合不确定柔性板系统μ综合振动主动控制实验研究

以柔性板结构为被控对象,提出混合不确定模型μ综合控制器设计方法并进行了实验验证.首先识别出柔性板实验系统的传递函数模型以及对应的状态空间最小实现模型;在此基础上,利用对系统矩阵的特征值分解和线性分式变换设计了将模态参数摄动提取成正则不确定块对角阵的方法,同时将剩余模态表示成高通滤波器形式,再通过引入虚拟不确定块,构建了考虑系统外扰抑制性能和控制增益约束性能的μ综合控制器求解过程.柔性板附加质量时的振动控制实验结果显示,随机扰动时相对LQR控制降噪量提高了4 dB,有效地解决了混合不确定柔性结构的振动控制问题.     

基于输入估计方法的振动主动控制试验研究

针对一种基于随机游走和输入估计策略的振动主动控制方法进行了试验研究。该方法涉及的动力学模型既依赖于受控系统的基本物理参数,又与未知的外扰激励密切相关。首先采用模态识别方法离线辨识系统的物理参数,以获得系统状态方程,再利用随机游走模型将未知外扰视为辅助状态量来构造新的状态方程,并借助Kalman滤波原理对新状态方程中的未知状态进行估计,进而得到未知状态和外扰的估计值。根据系统已知的测量输出、未知状态及外扰的估计值构造目标函数,应用LQG方法求解控制器增益,得到考虑未知外扰的最优控制输入。以柔性悬臂梁模型作为受控对象,对其实施振动主动控制,试验结果表明,该控制方法能有效抑制模型的前四阶模态振动,特别是对低阶模态的控制,其效果远优于经典LQG控制方法。     

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。     

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。     

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.     

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。     

液压柔性机械臂运动及振动的鲁棒控制

针对液压柔性机械臂刚体运动和振动控制，本文提出了一种新的鲁棒控制器设计方法。该设计方法结合了反演控制设计方法、滑模控制理论及极点配置技术，对系统不确定性具有较强的鲁棒性。其中滑模控制主要是通过虚拟控制扭矩的设计，来实现在柔性臂端点负载不确定的情况下，对其刚体转角和柔性振动的控制；反演控制设计主要是完成系统的实际输入——液压伺服阀阀芯位移的设计；而极点配置应用于滑模平面极点的设置，获得期望的系统动态响应。基于Lyapunov稳定性理论的系统稳定性分析，证明系统跟踪误差将收敛于有限区域内。仿真实例表明了本文方法的有效性。     

基于滑模输出反馈与输入成形控制相结合的挠性航天器主动振动抑制方法

针对挠性航天器大角度姿态机动的振动抑制问题，提出了一种基于输出反馈滑模控制和输入成形振动抑制方法相结合的主动振动控制策略。输入形成器作为前馈控制器作用在反馈回路的前相通道，通过改变输入命令的作用形式，在保证参考模型（标称对象）完成指定的姿态机动的同时抑制掉对系统影响较大的挠性结构的振动；而对于闭环控制回路，考虑挠性结构模态不可测、模型参数具有不匹配不确定性以及外干扰力矩的作用，在输出反馈滑模控制的基础上，给出了仅利用输出信息的滑模控制器设计方法，保证跟踪参考模型的输出以获得要求的闭环系统的性能。将该方法应用于单轴挠性航天器的大角度rest—to—rest（静止到静止）姿态机动控制进行了仿真研究，结果表明，所提出的方法是可行而有效的。     

基于奇异摄动法的FFFSR全局滑模跟踪控制及ESO振动抑制

针对存在参数不确定性和有界干扰的情况,讨论了自由漂浮柔性空间机器人(FFFSR)关节轨迹跟踪控制与柔性振动主动抑制的问题。利用奇异摄动法将系统分解为关节轨迹跟踪的慢变子系统和描述柔性振动的快变子系统,进而提出含慢、快变控制项的组合控制器;设计一种改进的全局滑模函数,利用低通滤波器抑制滑模抖振,实现全局鲁棒、快速收敛的关节轨迹跟踪;对于快变子系统,采用扩张状态观测器(ESO)对不易测量的柔性模态坐标导数和不确定扰动进行估计,并结合LQR方法,对柔性振动进行主动抑制。数值仿真表明,该组合控制器可以在有效抑制柔性振动的同时实现对期望关节轨迹的稳定跟踪。     

压电智能悬臂梁神经网络预测控制

对表面粘贴压电元件的压电智能悬臂梁进行有限元建模和分析,获取了结构的动力响应数据。根据神经网络的非线性逼近能力,用动态递归神经网络对压电振动系统进行了系统辨识,建立了系统的预测模型。以此预测模型来代替传统广义预测控制算法中的受控自回归积分滑动平均模型,对压电智能悬臂梁进行振动主动控制的研究,并优化了控制系统参数。对一单输入单输出压电智能悬臂梁系统进行了仿真分析,控制效果良好,为智能算法在智能结构中应用有一定的指导意义。     

基于神经网络的柔性结构振动主动控制研究

提出了采用压电元件作为传感器和驱动器 ,基于神经网络技术的柔性结构主动振动控制方法。阐述了神经网络控制的基本原理 ,导出了控制算法 ,并介绍了控制系统构成 ,最后对柔性梁在正弦和伪随机信号激励下的振动进行了主动控制实验 ,实验结果验证了本文所述方法的有效性     

Position Control of Flexible Joint Carts Using Adaptive Generalized Dynamics Inversion

This paper presents the design and implementation of Adaptive Generalized Dynamic Inversion (AGDI) to track the position of a Linear Flexible Joint Cart (LFJC) system along with vibration suppression of the flexible joint. The proposed AGDI control law will be comprised of two control elements. The baseline (continuous) control law is based on principle of conventional GDI approach and is established by prescribing the constraint dynamics of controlled state variables that reflect the control objectives. The control law is realized by inverting the prescribed dynamics using dynamically scaled Moore-Penrose generalized inversion. To boost the robust attributes against system nonlinearities, parametric uncertainties and external perturbations, a discontinuous control law will be augmented which is based on the concept of sliding mode principle. In discontinuous control law, the sliding mode gain is made adaptive in order to achieve improved tracking performance and chattering reduction. The closed-loop stability of resultant control law is established by introducing a positive define Lyapunov candidate function such that semi-global asymptotic attitude tracking of LFJC system is guaranteed. Rigorous computer simulations followed by experimental investigation will be performed on Quanser's LFJC system to authenticate the feasibility of proposed control approach for its application to real world problems.

     

基于滑模变结构的柔性机械臂振动控制

目的为了消除柔性机械臂的弹性振动,保证机械臂稳定运行。方法以水平运动的单杆柔性机械臂为研究对象,建立动力学模型,并以此为依据运用奇异摄动法将动力学方程分解为慢变和快变2个子系统,对2个子系统分别采用反演滑模变结构和模糊控制的手段进行控制,最后利用ADAMS和Matlab软件进行联合仿真,将控制结果与传统PID控制进行对比分析。结果稳定时间、振动量、角速度、控制力矩都得到提高,此种控制方式与传统的PID控制相比,平稳时间缩短了75%。结论该控制方法能够很好地对柔性机械臂进行振动控制,且控制效果明显强于传统的PID控制。     

混合隔振系统自适应模糊滑模控制

针对机械设备被动隔振在低频段隔振效果较差的问题,建立磁致伸缩作动器的电-磁-机转化数学模型,提出一种基于自适应模糊滑模控制算法,并用李雅普诺夫方法证明控制器的稳定性,将该控制策略与磁致伸缩作动器应用于混合隔振系统中。仿真结果表明：在单频、多频及随即激励条件下,自适应模糊滑模控制器具有良好的动态特性和鲁棒性,能够提高系统隔振效率并拓宽隔振频段,有效减小传至基础的力。     

大型结构自适应学习率RBF神经网络滑模分散控制研究

为了有效处理土木工程结构分散振动控制中子系统间相互影响力和外界荷载不确定性的影响,提出了自适应学习率RBF神经网络滑模分散控制算法（DALRBFSMC）。首先利用Lyapunov稳定性理论设计了仅依赖于子系统位移和速度响应反馈信息的滑模分散控制律,在此基础上,结合RBF神经网络理论和经典梯度下降法,引入Lyapunov函数,推导了调整RBF网络权值的自适应学习率,进而得到能实时调节滑模分散控制律切换增益项的自适应学习率RBF神经网络滑模分散控制算法（DALRBFSMC）。同时,针对子系统不同划分方式及子控制器之间存在重叠,提出了多种分散控制设计策略。对ASCE 9层Benchmark模型进行多种分散控制和集中控制设计。仿真分析结果表明,该分散控制算法适用于不同的分散控制策略,重叠分散控制策略较传统集中控制策略而言有更好的控制效果;同时能使分散控制系统内各作动器均处于功效最大状态。     

智能滑模变结构控制在定长控制系统中的应用

提出了一种基于智能滑模变结构的定长自动控制系统设计方法，利用模糊神经网络在线调整滑模变结构参数，在定长控制系统中的应用表明了该方法的优越性和实用性。