柔性结构的载荷识别

作为动力学逆问题的载荷识别一直是科技与工程领域关注的课题。选择柔性悬臂梁为对象,开展载荷识别与主动控制问题的研究,给出一种基于变结构控制算法的载荷识别方法和控制律的设计方法。研究结果显示,所给方法能够有效地辨识出结构所受到的外部载荷,变结构控制律能够有效地抑制梁的弹性振动。     

柔性基、柔性铰空间机器人基于状态观测的改进模糊免疫混合控制及抑振研究

研究了在有界外部扰动、基座姿态控制输入比例不确定影响下,柔性基、柔性铰空间机器人系统的刚性轨迹跟踪控制及柔性振动抑制问题。结合系统动量守恒原理、拉格朗日法并应用柔性补偿与奇异摄动技术,建立了柔性基、柔性铰空间机器人的奇异摄动动力学方程。为消除系统外部扰动、不确定控制输入比例对空间机器人轨迹跟踪精度的影响,在传统免疫控制算法基础上引入线性速度观测器及模糊控制器,提出一种基座姿态与机械臂各关节协调运动且不依赖于被控慢变子系统模型的改进模糊免疫混合控制律。为主动抑制基座、关节所产生的双重柔性振动,针对快变子系统提出一种基于线性状态观测器的最优控制律。综合上述两个控制律,得到了一种改进模糊免疫混合控制及抑振方案。所提控制方案无需在实时控制过程中对空间机器人的相关速度信号进行测量与反馈,并对系统不确定性保持有很强的鲁棒性。仿真实验结果证实了方案在系统刚、柔性运动控制上的有效性。     

飘浮基两杆柔性空间机械臂基于速度观测器的增广自适应控制

讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,存在外部扰动漂浮基两杆柔性空间机械臂的基于速度观测器的增广自适应运动控制与振动最优控制问题。选择合适的联体坐标系,利用Lagrange方法并结合动量守恒原理建立了飘浮基两杆柔性空间机械臂系统的动力学方程。利用奇异摄动法,将两杆柔性空间机械臂系统分解为一个关于载体姿态、关节轨迹跟踪的慢变子系统与一个描述柔性杆振动的快变子系统。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。利用自适应滑模观测器得到慢变子系统的观测速度向量,基于这个观测速度向量设计得到系统的增广自适应慢变控制律来实现关节轨迹的跟踪。利用线性观测器得到快变子系统的观测速度向量,基于这个观测速度向量并运用线性系统的最优控制理论得到了系统的快变控制律来实现柔性杆振动最优控制。系统的数值仿真证实了方法的有效性。该控制方案不需直接测量关节角速度、关节角加速度与柔性振动模态坐标导数以及漂浮基的位置、移动速度、移动加速度。     

具有扰动观测器的汽车主动悬架滑模控制

基于双横臂悬架的1/4汽车模型,以降低簧载质量振动为目的,提出了具有扰动观测器的滑模控制方法。由1/4汽车模型中簧载质量的受力平衡条件,得到了1/4汽车模型的二阶线性控制系统。在路面激励位移未知时,为了估计二阶线性控制系统输入的扰动力(控制臂的作用力、悬架弹簧力、减振器阻尼力和外界干扰力的总和),给出了基于滑模控制的扰动观测器设计方法。根据扰动观测器的估计值,计算了具有扰动观测器的滑模控制的1/4汽车模型的控制力。当路面激励为阶跃位移时,计算分析了采用无控制、PID控制和滑模控制时1/4汽车模型的簧载质量加速度,结果表明:具有扰动观测器的滑模控制器可以获得更好的控制效果。通过分析不同控制参数和外界干扰力对滑模控制器效果的影响,证明了基于1/4汽车模型的具有扰动观测器的悬架滑模控制设计的有效性。     

矿井提升机电励磁同步电机悬停控制研究

针对传统比例积分控制器应用于矿井提升机电励磁同步电机悬停控制中存在的震荡问题,本文提出了一种带有扰动观测器的转速滑模控制器,设计了一种基于滑模控制的高鲁棒性转速控制器,将包含钢丝绳张力的外部载荷视为干扰,并对其进行在线观测和补偿.仿真结果表明,本文所提出的悬停控制能够有效避免悬停过程中频繁的正反转切换问题,并能够克服钢...     

基于Tube的挠性航天器模型预测姿态控制及主动振动控制

针对大角度姿态机动的挠性航天器,将基于“管道”(Tube)的模型预测控制(Tube-based model predictive control, Tube-MPC)应用于挠性航天器的姿态控制中。首先,对不考虑扰动的挠性航天器的标称系统设计模型预测控制律,求解模型预测控制问题以确定飞行姿态角的标称轨迹。然后,针对带有扰动的挠性航天器的实际系统,将挠性附件振动和外部扰动作为复合扰动,设计辅助控制器使实际系统状态处于以标称轨迹为中心的Tube不变集内,驱使实际系统状态到达标称轨迹上,并沿着标称轨迹最终收敛于原点。基于Tube的模型预测姿态控制器在满足控制输入约束条件下能有效处理扰动,从而实现对姿态角指令的有效跟踪。同时,针对姿态机动过程引起的挠性附件振动,采用压电智能材料,设计了全阶滑模主动振动控制器。全阶滑模控制器可有效减少抖振,从而使挠性振动模态能够在有限时间内快速衰减。仿真结果表明,所设计的基于Tube的模型预测姿态控制器与全阶滑模主动振动控制器能有效地抑制挠性附件的振动和外界扰动,对姿态角指令有较好的跟踪性能。     

基于类龙伯格与时滞扰动观测器综合的摩擦补偿

针对摩擦扰动的非线性特性及传统摩擦补偿方法的不足,利用LuGre动态摩擦模型对摩擦现象描述的准确性,分析了类龙伯格状态观测器及时滞扰动观测器的设计过程,提出了综合类龙伯格状态观测器与时滞扰动观测器的摩擦补偿方案.从实验结果看,利用类龙伯格状态观测器观测摩擦状态,并通过LuCre模型估计摩擦扰动起到了较好的摩擦扰动抑制作用,解决了时滞扰动观测器用于摩擦补偿的扰动慢时变限制的问题.同时,TDE扰动观测器不仅消除了摩擦扰动补偿残差,而且起到了抑制了外界扰动的作用.     

电流变液用于旋转运动柔性梁振动控制的实验研究

建立了用于旋转运动电流变夹层梁振动响应测试的实验系统.对电流变夹层梁在不同电场强度与旋转速度下的振动响应特性进行了实验研究.实验结果显示,旋转运动电流变夹层梁在外加电场的作用下,能快速抑制梁的残余振动,缩短振动衰减时间.表明在外加电场的控制下,电流变材料能有效抑制旋转运动柔性梁的振动.     

高速磁悬浮电机转子低频振动干扰观测与抑制研究

针对磁悬浮电机高速时由于低频振动导致转子失稳问题,利用改进型干扰观测器对磁悬浮电机转子在高速时的低频振动进行观测,进而在控制器中对其进行抑制。此改进型干扰观测器不仅能正确观测出磁悬浮转子高速时的低频振动,还能有效克服磁悬浮转子高速时形变带来的影响。以100kW磁悬浮电机为实验平台,对转子在24 000r/min时进行实验验证。实验表明,加入改进型干扰观测器的主动磁轴承系统相较于原系统,磁悬浮电机转子低频增益减小了20dB,转子的跳动量减小了36.8μm,控制精度提高了63.89%。结果表明:改进型干扰观测器的加入有效抑制了磁悬浮电机转子高速时的低频振动,提高了磁悬浮电机高速时的稳定性。     

带有扰动补偿的离散重复控制方法

本文提出一种基于抛物线吸引律的离散重复控制方法,用于解决离散时间系统的周期轨迹跟踪问题。该方法能有效减小系统抖振,同时通过扰动扩张状态观测技术对系统未知扰动进行有效抑制,并采用重复控制技术实现系统周期扰动的完全消除。为了刻画误差的动态性能,推导了稳态误差带、绝对吸引层、单调减区间的表达式以及跟踪误差进入稳态误差带的最小步长。通过数值仿真和永磁同步伺服电机实验,验证了所述方法的有效性。     

具有非线性能量阱的弹性边界约束轴向载荷梁结构动力学行为研究

近年来,非线性能量阱作为一种高效的被动控制手段受到国内外学者广泛关注。本文采用Galerkin截断法(GTM)预报弹性边界约束轴向载荷梁结构动力学响应,研究非线性能量阱对梁结构振动行为影响规律。在Galerkin截断法中,选取具有线性边界条件轴向载荷Euler-Bernoulli梁模态函数作为权函数和试函数,之后利用Galerkin条件建立梁结构振动系统的残差方程,结合4阶龙格-库塔算法对上述残差方程进行求解。采用谐波平衡法对Galerkin截断法所得结果进行验证并研究了Galerkin截断法截断数对结果稳定性的影响。在此基础上,研究外部激励位置、非线性能量阱参数对该梁结构系统动力学响应、减振性能的影响规律。结果表明,外部激励位置与非线性能量阱参数对梁结构动力学响应影响显著。适当的非线性刚度、阻尼参数能够有效抑制梁结构端点处的振动响应幅值。     

基于扰动观测器的铆接机器人轨迹跟踪控制

为解决铆接机器人工作时外部干扰造成系统抖震大，轨迹跟踪精度较低问题，设计一种扰动观测器与分数阶滑模控制器组合的自适应控制方法。首先，通过引入时延估计策略建立铆接机器人的局部动力学模型，利用扰动观测器实时观测系统模型所受的可见干扰；其次，针对系统产生的抖震问题，设计分数阶滑模面替代传统滑模控制，采用新型趋近律使系统在切换面上能够连续平稳运动，针对系统所受的不可见干扰，设计自适应策略实现对外部干扰的完全补偿；最后，通过Lyapunov函数证明所设计控制器的有效性。以三自由度机器人进行仿真及实体试验，结果表明，相较于分数阶滑模控制，采用该控制器后机器人各关节的追踪误差峰值分别下降了50%,59%和63%,从而验证了该控制器不仅能有效消除系统所受较大干扰产生的抖震问题，而且提高了铆接机器人作业时的鲁棒性和轨迹跟踪精度。     

机载摄影稳定平台的自抗扰控制

针对航空摄影稳定平台中非线性、多干扰的控制问题,采用自抗扰控制方法对三框架稳定平台进行分散独立控制。利用拉格朗日定理建立了考虑外部干扰的三框架结构稳定平台的动力学方程。设计独立的扩张状态观测器对每个环架的未知模型动态与外部扰动进行动态估计和补偿,采取非线性状态反馈控制以提高系统的控制性能。通过仿真和实验证明采用该方法设计的控制器不仅能满足系统稳态精度的要求,而且有效抑制了负载变化和不确定性扰动对系统的影响,提高了系统的稳定性和适应性。     

压电智能结构振动系统未知扰动估计

外部扰动极易导致结构振动,从而引起结构的疲劳损伤乃至破坏,降低了使用寿命,然而在很多实际的工程应用中,扰动是未知的且很难测量。为此,提出一种基于卡尔曼滤波器的智能结构比例积分扰动观测器,该观测器使用分布式压电传感器对外部的未知扰动进行估计,并通过仿真获得了不同测量位置的扰动估计数据。仿真结果表明,在考虑测量噪声的情况下,与传统的比例积分扰动观测器相比,该研究的扰动估计方法对于外部未知扰动具有更好的估计效果。     

光电跟踪系统中精密控制技术研究进展

精密控制技术离不开光机电结构配置、电机驱动、传感器、控制算法以及载荷平台的发展,它是实现高精度光电跟踪的必要手段。无论固定地基平台还是运动平台,扰动抑制、目标跟踪以及分布式智能协同的三大关键技术始终是光电跟踪控制系统面临的技术难点。本文综述了针对上述几大关键问题的精密控制技术,展示了一些先进和前沿控制技术的研究成果,同时指出未来重点研究方向的主要思路。根据扰动影响的不同机理,从精密驱动、惯性稳定、振动控制三个方面介绍了相应扰动抑制技术的研究进展以及热点,并强调基于Stewart平台的振动与指向一体化技术是空间光电跟踪系统的重要技术方向。复合轴控制系统仍然是提高目标跟踪最有效的根本方式,最基本的技术问题是提高精跟踪倾斜镜跟踪系统的性能。观测器控制尤其是仅有误差测量的观测器技术特别适用于复合轴光电跟踪系统,发展三级或者更高级的复合轴系统应该特别注意高性能电机的应用。最后,提出多智能协同光电系统是光电跟踪领域未来重点的发展方向,需要研究多智能体的协同定位、编队控制以及载荷平台一体化等精密控制技术。

     

改进型干扰观测器在稳定平台伺服系统中的应用

为提高稳定平台伺服系统对各种扰动的抑制性能,将一种改进型干扰观测器应用到了平台系统中,该改进型干扰观测器在经典干扰观测器的基础上新增了一个补偿系统输出的控制结构。文中对改进型干扰观测的性能进行了详细分析,并对存在模型摄动时的鲁棒稳定性进行了推导,同时给出了低通滤波器 的设计原则。最后通过数值仿真分析表明,改进型干扰观测器能够较好地消除外部干扰和模型摄动的影响,改善了测量噪声的抑制性能。     

小型航天器微振动主动控制平台建模与仿真

为克服动量轮等旋转装置微振动对航天器指向精度等影响,制作连接旋转装置及星体的小型微振动主动控制装置,通过四个主动压电折叠梁实现微振动主动控制;利用有限元理论建立微振动主动控制平台及旋转装置动力学模型并进行动力学性能分析;使用线性二次Gauss（LQG）方法设计控制率,对控制系统在正弦激励及初始位移两种载荷工况下的主动控制效果仿真研究。结果显示此微振动主动控制平台能有效抑制系统振动。     

悬臂Kagome夹心板独立模态空间振动控制研究

针对悬臂板挠度大、低频振动突出问题,对悬臂Kagome夹心板的振动主动控制进行研究。建立结构及压电作动器有限元模型;将独立模态空间控制与模态观测器相结合,提出悬臂Kagome夹心板的主动控制策略;针对突风载荷作用下夹心板基于独立模态空间的振动控制进行仿真,重点研究观测器极点对控制效果影响。结果表明,所提控制方法能显著提高悬臂Kagome夹心板结构的阻尼特性,观测器衰减系数越大控制效果越好;该夹心板在振动控制方面较传统板结构优势明显。     

轴向力影响下大阻尼梁高频能量流响应解析模型

针对轴向力作用下大阻尼梁的高频振动问题,基于能量流分析方法构建高频动响应解析预报模型。推导梁结构的能量传递方程和能量损失方程,结合功率平衡方程构建轴向力影响下大阻尼梁的能量密度控制方程。以简支梁为典型算例,分析结构的能量密度响应,研究轴向力和结构阻尼损耗因子对高频能量流响应的影响。数值结果表明：提出的能量流响应解析模型渐进一致逼近基于波动分析法的经典模型解,可以准确预示轴向力作用下大阻尼梁的高频弯曲振动响应。随着梁结构轴向载荷和阻尼损耗因子的增加,能量密度自激励点向两端约束边界衰减速度提高。但是,梁结构的弯曲振动总能量随轴向载荷单调增加,而随阻尼损耗因子单调减小。     

压电智能结构的一种模态控制新方法

提出了一个用于压电智能结构振动控制的模态控制方法。就智能梁给出了压电模态传感器与压电模态致动器的新设计方法以及相应的模态控制方法，并对相应的观测溢出与控制溢出问题进行了分析，给出了抑制这些溢出的措施。