旋转运动柔性悬臂梁的动力特性及振动主动控制研究

摘　要:对旋转运动下柔性悬臂梁的动力特性和振动主动控制进行了研究。研究中考虑了 2种动力学模型:零次近似模型和一次近似模型。重点通过算例揭示 2种模型之间的巨大差异以及最优控制方法的有效性。算例结果表明,无控制时,零次近似模型只适用于较小旋转角速度时的情况;对于施加控制的情况,该模型的适用范围可放宽许多。一次近似模型不但能适用于较小角速度的情况,而且能够适用于较大角速度时的情况,且适用于无控制或有控制时的情况。最优控制方法能够使非惯性系下柔性梁的振动得到完全镇定。     

基于分层结构的机械臂运动预测控制

为了使柔性机械臂快速稳定到达目标位置且抑制其末端柔性形变,设计了基于分层结构的预测控制方法,分层结构采用对预测控制的方式,占据了控制的先机,而且针对机械臂的时变特性,采用滚动控制策略,增加了控制系统鲁棒性。给出了适用于一般机械臂的控制结构框架,建立了预测控制模型;设计了轨迹规划层,将最优轨迹规划问题转化为带约束的QP问题,其输出为最优轨迹;设计了跟踪控制层,此层精确跟踪上层规划出的最优轨迹;为了验证分层结构的有效性,设计了适用于柔性机械臂的分层结构,将此方法与IST方法进行比较,分层结构不仅快速稳定到达目标位置,而且抑制了机械臂在目标位置的柔性形变、控制过程中也没有出现力矩的较大波动。     

柔性机械臂非并置式模型参考自适应控制

推导了单连杆柔性机械臂的动力学模型,研究其末端位置的模型,参考自适应控制。在推导动力学模型时,使用刚性模态和多个弹性模态使单连杆柔性机械臂等效为一个多自由度的机械多体动力系统。在研究末端位置的弹性振动抑制方法时,使用了振动主动控制方法,用线性化模型的最优状态反馈方法构造模型、Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定性理论推导了模型状态跟踪的自适应控制率,用ＬＱＲ方法推导末位置调节控制主。用模型状态跟踪和末端位置跟踪两     

基于线性二次型的刚柔耦合挖掘机机械臂轨迹追踪与振动控制

针对挖掘机机械臂在运行过程中轨迹追踪和振动控制问题,建立了刚柔耦合挖掘机机械臂非线性动力学模型,对模型中关节角变量和弹性变量两部分进行解耦,并对挖掘机机械臂轨迹追踪和残余振动抑制进行计算,最后根据计算数据对建立相关模型进行数值验证。研究结果表明,挖掘机机械臂刚柔性耦合轨迹跟踪控制方法是有效的,利用线性二次型最优控制方法对挖掘机机械系统由柔性机械臂的弹性变形所引起的残余振动起到了明显的抑制效果。     

航空发动机叶片刚柔耦合动力学分析

航空发动机叶片是航空发动机重要零件之一,常常因共振而导致断裂失效。传统航空发动机叶片的振动特性分析普遍基于零次近似耦合动力学模型,该模型忽略了动力刚化项,得到的结果具有一定局限性。为了更加准确地分析高速转动的航空发动机叶片的振动特性,对叶片刚柔耦合动力学问题进行了研究。将叶片简化为柔性薄板,考虑面外变形和面内变形,并计入了面外变形引起的面内变形,即变形耦合项。采用假设模态法描述叶片的变形,运用拉格朗日动力学方程建立了做三维空间大位移运动的柔性叶片一次近似耦合动力学方程。同时采用多体系统动力学软件MSC.ADAMS对旋转叶片的动力学性态进行了研究,并将所得的叶片动力学理论模型结果和ADAMS的结果进行了比较。结果显示一次近似耦合模型理论结果与实际结果相符,而ADAMS和零次近似耦合模型在叶片高转速时仿真结果存在缺陷。基于所得的叶片一次近似耦合模型,对叶片振动频率、“频率转向”和“振型转换”问题进行了分析,验证了所提出的方法的可行性。     

旋转柔性悬臂梁的固有频率分析

在精确描述柔性梁非线性变形基础上,利用Lagrange方程推导出考虑动力刚化项的一次近似刚柔耦合动力学方程。忽略柔性梁纵向变形的影响,给出一次近似简化模型,引入无量纲变量,对简化模型作无量纲化处理,首先分析模态截断数对固有频率的影响,其次研究一次近似简化模型和零次近似简化模型的振动特性。研究发现,梁固有频率与模态截断数有关,合理的模态截断数应随无量纲角速度的增大而适当增加;一次近似简化模型的固有频率随无量纲角速度和系统径长比的增大而增大,零次近似简化模型的固有频率随无量纲角速度增大而减小;一次近似简化模型下梁横向弯曲振动不存在物理意义上的共振失稳现象。现有典型文献的相关结论值得商榷。     

线性二次型在柔性机械臂抑振控制中的研究

针对具有末端附加质量的柔性机械臂弹性振动问题,提出采用基于遗传算法的线性二次型控制方法对其进行抑振控制。首先分析了柔性机械臂的弹性变形问题,采用假设模态法描述弹性变形并基于Lagrange方程建立具有末端集中质量的柔性机械臂动力学模型。其次,推导出系统的控制模型,采用线性二次型最优控制对柔性机械臂系统进行抑振控制,并用遗传算法优化线性二次型性能指标函数中的加权矩阵。仿真实验结果表明,与传统的经验值相比,优化后的控制方法能有效衰减末端弹性振动,柔性机械臂系统端部定位速度更快,验证了该方法的可行性。     

柔性空间机械臂振动抑制的模糊终端滑模控制

针对载体位置不受控、姿态受控的情况,提出了柔性空间机械臂振动抑制的模糊终端滑模控制方案。利用假设模态法、系统动量守恒关系及拉格朗日方法,导出了柔性空间机械臂的系统动力学方程。为解决柔性空间机械臂轨迹跟踪控制及振动抑制问题,运用奇异摄动法将系统分解为慢变、快变两个子系统并分别设计了控制器。慢变子系统采用具有较强鲁棒性的模糊终端滑模控制方案,快变子系统则采用基于降阶状态观测器的线性二次型最优控制器(linear quadratic regulator,简称LQR)。数值模拟结果表明,本文的控制方案不仅保证了柔性空间机械臂载体姿态及机械臂各关节铰跟踪误差在有限时间内的收敛性,而且还大大地降低了滑模控制所固有的抖振,并对柔性臂的振动具有良好的抑制效果。     

基于逆动力学的柔性机械臂力学特性研究

为了对柔性机械臂力学特性问题进行深入研究,通过运用机械臂低振动逆动力学和时变模态展开方法,建立单连杆柔性机械臂的动力学模型,将机械臂自激弹性振动模型引入计算模型中,提出最优输入力矩与扰动最优力矩计算方法,并针对关节处不同工作状态进行动力学响应分析,最后根据计算数据建立相关模型进行数值验证。研究结果表明,柔性机械臂在建模过程中包含非线性项,消除模型线性化误差,给定机械臂结构和运动要求时,可首先算出最优输入力矩,从而对机械臂实现开环控制;通过采用扰动模型,了解柔性作用,算法的收敛性和速度较普通模型有显著提高,结果具有良好的鲁棒性;当关节转动固定后,机械臂端点作谐振动,若振动频率接近机械臂固有频率时,扰动响应发散,反之则为稳态振动;当关节移动固定后,匀速转动,转速小于临界转速时,扰动响应衰减或稳定,反之则发散。     

基于DSP的机械臂约束预测控制系统设计

针对机械臂的实时控制问题,基于约束预测控制,提出了一种机械臂实时运动控制方法。介绍了机械臂动力学模型并进行了线性化处理,以降低算法复杂度、保证实时性。设计了轨迹跟踪控制器和约束预测控制器,其中轨迹跟踪控制器采用最优反馈控制律,可确保机械臂按参考轨迹运动;而约束预测控制器则在考虑机械臂物理约束的情况下,为跟踪控制器提供最优参考轨迹。以DSP作为核心控制器,搭建了机械臂控制系统,同时给出了硬件和软件设计方法。以梯形和三次多项式轨迹为例,进行了系统功能测试,测试结果表明了所述控制系统的可行性和有效性。     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

液压柔性机械臂等效模型的鲁棒控制

针对液压柔性机械臂的等效动力学模型——柔性负载电液位置伺服系统,提出了滑模控制和自适应反演控制相结合的鲁棒控制器设计方法。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至零,同时控制了柔性负载的振动。仿真实例表明了设计方法的正确性。     

柔性宏刚性微空间机器人末端连续轨迹跟踪控制研究

对一类柔性宏刚性微结构的空间机器人系统进行了运动学和动力学建模,介绍了采用微机械臂快速精确运动来补偿宏机械臂由于弹性形变和振动产生的末端误差的设计方案,并对此进行了简化。在此基础上设计了两种控制方案。一种是对宏机械臂和微机械臂都采用PD(比例微分)反馈控制,另一种是宏机械臂采用PD控制而微机械臂采用滑模变结构控制。最后进行了仿真试验,比较了两种控制方案的不同控制效果,并得出补偿算法是有效的,且滑模变结构控制在该试验中优于PD控制的结论。     

一种3自由度并联柔索驱动柔性操作臂的建模与控制

以一种3自由度并联柔索驱动机器人为研究对象,研究这种并联柔性系统的控制规律。考虑到运动描述的唯一性及易测性,取约束关节的位置作为广义关节变量,用以描述操作臂的运动状态。在此基础上分析了操作臂的运动学和静力学关系,建立了并联柔性系统的动力学模型。然后,以轨迹控制为目标,分别基于刚性模型和柔性模型设计控制器,并对系统的性能进行分析和仿真。结果表明:基于刚性模型控制器的性能较差,而基于柔性模型的奇异摄动方法则可以获得较好的控制效果。     

移动机械臂的输出跟踪控制

移动机械臂通常由移动机器人和装在移动机器人上的机械臂组成。它既具有移动机器人的可移动性又具有机械臂的操作灵活性,有极高的实际应用价值。本文针对由二轮驱动的移动平台和二连杆机械臂组成的移动机械臂的输出跟踪问题,利用滑模控制原理为其设计了动态滑模控制器。首先给出了移动机械臂的简化动态模型,然后通过微分同胚和输入变换将其分解为4个低阶子系统,并给出了其输出跟踪的动态滑模控制器的设计方法。仿真实验表明,所设计的动态滑模控制器不仅能很好地跟踪给定轨迹,而且能有效地削弱滑模控制系统的抖振。     

基于奇异摄动法组合控制柔性机械手臂的研究

在柔性机械臂的控制研究中,实现定位目标的同时必须快速消除柔性振动。基于奇异摄动法和双时标分解,提出了一种混合控制方法。柔性机械臂的模型可分解为两个子系统：慢时标子系统和快时标子系统,快时标子系统采用模糊控制,慢时标子系统采用速度反馈控制,并验证了该方法的控制性能。     

Model-based reference trajectory generation for tip-based learning controller

The non-minimum phase characteristic of a flexible manipulator makes tracking control of its tip difficult The level of the tip tracking performance of a flexible manipulator is significantly affected by the characteristics of the tip reference trajectory as well as the characteristics of the flexible manipulator system This paper addresses the question of how to best specify a reference trajectory for the tip of a flexible mampulator to follow in order to achieve the objectives of reducing tip tracking error, residual tip vibration, and the required actuation effort at the manipulator joint A novel method of tip-based learning controller for the flexible manipulator system is proposed in the paper, where a model of the flexible manipulator system with a command shaping filter is used to generate a smooth and realizable tip reference trajectory for a tip-based learning controller     

漂浮基柔性两杆空间机械臂基于状态观测器的鲁棒控制及振动控制

讨论了漂浮基柔性空间机械臂基于状态观测器的鲁棒控制及振动最优控制问题。首先通过合理选择联体坐标系,实现两柔性杆弹性变形之间的解耦;根据拉格朗日方程与动量守恒原理,建立了载体位置无控、姿态受控飘浮基两杆柔性空间机械臂系统的动力学方程。接着利用奇异摄动法,将这个柔性两杆空间机械臂系统分解为一个慢变子系统与一个快变子系统。以此为基础,提出了一个包含慢变控制项与快变控制项的复合控制器。利用动态滑模观测器得到慢变子系统的观测速度矢量,基于这个观测速度矢量设计系统的鲁棒慢变控制律来实现载体姿态、关节轨迹的跟踪。利用线性观测器得到快变子系统的观测速度矢量,基于这个观测速度矢量与线性系统的最优控制理论设计系统的快变控制力矩,实现两柔性杆振动的抑制。最后通过系统的数值仿真,证实了方法的有效性。     

基于自适应滑模控制器的机械臂运动控制方法

由于无法消除机械臂运动过程中存在的高频振动,导致运动控制方法存在跟踪精度低、控制稳定性差和控制性能差等问题。对此,提出一种基于自适应滑膜控制器的机械臂运动控制方法,在机械臂动力学模型的基础上设计非线性观测器,对机械臂控制系统中存在的干扰信号进行观测,设计自适应滑膜控制器对干扰信号进行补偿。将补偿器引入自适应滑膜控制器中,其主要作用是抑制机械臂在运动过程中存在的高频振动,以提高控制稳定性,通过 Lyapunov 函数设计自适应滑膜控制器的总控制律,根据总控制律利用改进后的自适应滑膜控制器完成机械臂的运动控制。实验结果表明,所提方法的跟踪精度高、稳定性好、控制性能高。