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。     

传动柔性及负载变化弹药传输机械臂位置控制及柔性振动抑制

针对现有坦克自动装弹机无法实现任意角度装填问题,设计出两自由度的弹药传输机械臂。研究考虑链条、转铰柔性且负载变化情况弹药传输机械臂位置控制与柔性振动抑制。将链条与转铰简化为线性无惯量弹簧,采用第二类Lagrange方法建立弹药传输机械臂刚柔耦合动力学模型。基于奇异摄动技术设计系统混合控制策略,柔性振动抑制采用速度反馈控制;刚性部分大范围运动采用基于隐式Lyapunov函数的连续时变增益PD控制,控制器增益为系统状态变量的可微函数,随系统状态变量逐渐趋向于零,增益逐渐趋于无穷大,而控制力始终保持在有界范围内。仿真结果显示,该混合控制器能克服负载变化及柔性振动影响,实现弹药传输机械臂点到点位置控制及柔性振动抑制,具有较强的鲁棒性。     

基于输入成形的柔性航天器振动闭环抑制方法研究

针对柔性航天器姿态机动时柔性附件的振动抑制问题,提出一种基于输入成形和反馈控制联合的主动振动抑制策略,在保证航天器完成指定的姿态机动的同时抑制对系统影响较大的挠性附件的振动。考虑到柔性附件模态变量难以测得以及存在外界干扰力矩,设计了只利用姿态信息的反馈控制器,并根据整个闭环系统的振动频率和阻尼比信息设计前馈鲁棒多模态输入成形器,进一步提高闭环系统的性能。仿真结果表明,应用该策略成功地抑制柔性附件的振动及改善系统的机动时间,并使系统性能对参数的摄动具有很强鲁棒性。     

姿态受控柔性关节双臂空间机器人的抗力矩饱和控制与振动抑制

研究了漂浮基柔性关节双臂空间机器人载体姿态与机械臂关节协调定位的抗力矩饱和控制与柔性振动抑制问题。利用系统动量守恒定律及拉格朗日方法,给出载体姿态受控柔性关节双臂空间机器人的完全驱动式动力学方程。结合柔性补偿及奇异摄动技术,推导系统相应的奇异摄动模型。为实现双臂各关节柔性振动的有效抑制,针对快变子系统提出一种力矩微分状态反馈控制策略;为避免空间机器人实际载体姿态控制系统及关节驱动电机出现控制饱和问题,针对慢变子系统提出一种姿态、关节协调定位且基于力矩主动约束设计的抗力矩饱和控制方法。数值仿真结果显示,所提控制方案不仅可以完成对系统载体姿态、双臂各关节的精确定位,而且还能有效抑制关节的柔性振动、限制实际控制力矩的输出幅值。     

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。     

基于干扰观测器的含有柔性关节的柔性机械臂抑振策略

含有柔性关节的柔性机械臂同时受到关节柔性、连杆柔性和轴承摩擦的影响,会导致输出角速度发生波动。角速度的波动会加剧机械臂的振动,影响末端执行器的控制精度。通过含有干扰观测器的PI(proportional integral)控制策略控制角速度波动的方式减弱机械臂的振动。首先使用连续体的振动理论和拉格朗日方法建立考虑轴承摩擦并且含有柔性关节的柔性机械臂的动力学方程。接下来,根据鲁棒稳定性定理设计了干扰观测器中的低通滤波器。然后通过超限补偿控制律的设计满足柔性机械臂控制系统闭环的稳定性。最后开展了含有柔性关节的柔性机械臂的数值仿真分析和控制实验。仿真和实验结果显示,所设计的干扰观测器可以有效的降低轴承摩擦力矩的影响,使角速度跟踪误差的标准差降低17.488%。由此,所提出的控制策略能够有效地抑制柔性机械臂工作过程中的角速度波动,进而减弱振动。     

基于迭代学习的柔性机械臂振动联合抑制方法

传统柔性机械臂振动联合抑制方法存在振动位移过大的缺陷，机械臂振动联合抑制效果不佳。为此，本文提出基于迭代学习的柔性机械臂振动联合抑制方法。分析柔性机械臂基座和关节重心间的关系，确定柔性机械臂的空间位姿，获取包括弹性变形模量、弹性变形系数、关节动能在内的柔性机械臂关节柔性参数，构建二阶非齐次线性方程，采用迭代学习求解方程的解，实现柔性机械臂振动联合抑制。实验结果表明：在位移跟踪角度60°与90°两种实验条件下，此次设计的柔性机械臂振动联合抑制方法，比奇异摄动方法、改进蚁群算法的振动位移均值分别少4.066 mm和4.255 mm，证明在融合迭代学习算法后，此次设计的柔性机械臂振动联合抑制方法效果更好。     

柔性关节空间机械臂奇异摄动自抗扰控制仿真研究

针对不同重力环境条件下考虑摩擦、关节刚度非线性与外扰影响的柔性关节空间机械臂的控制问题,提出了一种基于奇异摄动理论的自抗扰控制方法。首先建立了柔性关节空间机械臂在地面重力和空间微重力环境下的动力学模型;然后采用奇异摄动法将系统模型分为快变子系统和慢变子系统,针对快变子系统设计速度反馈控制律来抑制柔性关节的振动,针对慢变子系统设计加入前馈补偿的自抗扰控制器(ADRC)来抵抗系统的内外扰动,并对系统进行了稳定性分析;最后对设计的控制器进行了仿真验证与对比研究。仿真结果表明,采用该方法,在不同重力环境下柔性关节空间机械臂均能实现很好的轨迹跟踪和抖振抑制,且能有效抵抗内外扰动,系统具有鲁棒性。     

受控柔性机械臂动力学建模仿真

针对链式反馈受控多体系统,建立了反馈控制的通用处理方法,构造了相应的控制元件,建立了受控多体系统离散时间传递矩阵法.该方法无需建立系统总体动力学方程,计算速度快、建模灵活,相比于其他动力学方法更利于对复杂受控多体系统的动态设计和实时控制.采用PD控制和基于压电激励器的模态速度反馈控制,分别建立了柔性机械臂系统相应的传递矩阵,应用文中方法实现了对柔性机械臂轨迹跟踪和振动主动控制,仿真结果表明了该方法的有效性.     

漂浮基柔性空间机械臂关节运动的分块神经网络控制及柔性振动模糊控制

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关节运动及柔性振动主动抑制的控制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用拉格朗日方法建立了漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。之后采用奇异摄动理论,将其分解为表示刚性运动的慢变子系统和柔性振动的快变子系统。据此,设计了柔性空间机械臂系统载体姿态及机械臂关节铰协调运动的组合控制器。针对慢变子系统——柔性空间机械臂的刚性运动,设计了分块神经网络控制器,以完成系统参数未知情况下关节空间协调运动的轨迹跟踪;而对于快变子系统——柔性臂的振动,则设计了模糊控制器来主动抑制柔性杆的振动。数值仿真证实了提出方法的有效性。     

柔性冗余度机器人残余振动主动控制

研究柔性冗余度机器人的残余振动主动控制问题，设计了具有压电作动器与应变传感器的机敏杆件，建立了受控系统的状态空间表达式，采用独立模态空间控制理论设计LQR状态反馈控制器，并基于对偶原理设计了具有指定收敛特性的Luenberger全维状态观测器，最后，以平面3R柔性冗余度机器人为例进行了计算机仿真，结果表明，采用这种主动控制方法可以显著改善柔性冗余度机器人的动力学品质。     

Control of a 2-DOF manipulator with a flexible forearm

In this paper we present experimental results on the position and vibration control of the end-effector of a 2-DOF parallelogram manipulator with a flexible forearm. A dynamic model of the manipulator is first obtained. Control strategies are implemented to control the manipulator. The first control strategy uses the computed torque method based on a reduced-order dynamic model of the manipulator which is obtained by assuming that all the links are rigid. This method is referred to as the reduced-order computed torque (ROCT) method. Experimental results demonstrate that such a strategy is not good for vibration control of the end-effector of the manipulator. The second control strategy is a state feedback control law designed based on a local linearization of the nonlinear dynamic model. Experimental results show that this control strategy achieves good vibration control of the end-effector of the manipulator. However, since the strategy is based on local linearization, it is valid only in a neighbourhood of the operating point. A hybrid controller that uses the ROCT method for the initial large movement of the manipulator is then implemented. Based on a switching rule, the controller is switched to the state feedback controller based on the linearized model when the manipulator is sufficiently close to the equilibrium state. Experimental results are reported and the successful performance of the controller in dampening out end-point vibrations is demonstrated.     

基于多回路扩张状态观测的加筋壁板结构多模态振动控制

摘 要：针对加筋壁板结构的多模态主动振动控制中存在输出叠加和控制输入耦合的问题,结合多回路线性扩张状态观测器(multi-LESO)和线性PD反馈控制律,设计一种不依赖结构数学模型的多模态线性自抗扰复合振动主动控制策略。首先,将其它模态的输出叠加和控制输入耦合看成是广义干扰,每个独立回路的线性扩张状态观测器能够估计出这种广义干扰,再通过前馈补偿的方式抵消这种影响;然后分别独立设计每个独立模态的线性PD控制器。最后,基于dSPACE实时仿真系统,建立了四面固支压电加筋壁板结构的主动振动控制试验平台,进行了几种激励情况下的多模态线性自抗扰振动控制实验。结果表明,提出的方法不仅能够有效的抑制加筋壁板结构由于前两阶共振频率引起的振动,而且具有良好的抑制不确定因素引起的整个结构波动的能力。     

柔性机械臂的轨迹跟踪与振动模糊控制

由于柔性机械臂的动态模型较为复杂,传统的基于模型的控制策略一般难以处理.基于PD型模糊控制器,提出一种基于新型的模糊控制的柔性机械臂轨迹跟踪与振动控制策略.首先推导用于柔性机械臂角控制的PD型并联模糊控制器,随后将其改进,提出了一种非并联型模糊控制器,并结合输入整形策略,推导了一种新型的柔性机械臂的混合模糊控制器.在此基础上,构建了柔性机械臂实验平台,开展实时控制实验,给出了相关的时域和频域控制效果.相关的实验结果表明,所提出的新型模糊控制器能够较好地完成柔性机械臂的轨迹跟踪任务,并显著降低柔性机械臂的振动.     

基于模糊自整定PID算法的压电柔性机械臂振动控制研究

柔性臂运行过程中的振动降低了其定位和操作精度,不同控制算法时的柔性臂抑振效果也不相同。针对刚-柔-电耦合的双连杆压电柔性机械臂,提出基于模糊自整定PID算法的柔性臂振动主动控制方法。利用MATLAB软件中的模糊工具箱,建立有效的模糊规则,实现了PID参数在线自整定模糊控制系统的设计与仿真。与常规PID控制算法相比较,仿真及实验结果表明:两种算法均能抑制柔性机械臂的振动,但模糊自整定PID控制器具有响应快、鲁棒性好、调整方便等优点,并更好地改善了控制系统的动态性能。     

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。     

基于分段PD控制的振动基弹药传输机械臂轨迹跟踪控制

针对一种新型带振动底座的弹药传输机械臂的轨迹跟踪控制问题,设计一种鲁棒控制器。阐明了弹药传输机械臂的工作原理以及三维模型,利用第二类拉格朗日方法建立了弹药传输机械臂动力学模型。在控制力范数有界的假设下,基于分段线性控制算法以及计算力矩法,设计了反馈控制器。控制律表现为增益可变的比例微分控制,在动态过程中,控制器增益根据系统当时状态偏差以阶跃方式按设定规律作相应改变,当系统接近或达到终端状态时,控制器的增益趋于动态平衡状态。控制力输入总是满足给定的约束条件。采用龙格库塔法在MATLAB环境下进行数值仿真。结果表明,该控制器能很好地抑制基座的振动以及载荷不确定性带来的影响,满足自动装弹机的精确快速轨迹跟踪控制,具有良好的鲁棒性。