滑模变结构控制在柔性机械臂中的应用

本文采用假设模态法,对带有末端荷载的柔性机械臂,推导出考虑动力刚化影响的柔性机械臂有限统一致线性化动力学模型。通过极点配置技术设计滑模超曲面参数,采用滑模变结构控制方法,实现关节转角的运动轨迹控制。采用ＬＱＲ方法设计弹性模态器,抑制由于刚体运动而激发的弹性振动。文中最后针对一单杆柔性机械臂进行了计算机仿真,验证了本文所提出的控制策略的有效性。     

压电柔性臂的传感器/致动器优化配置与振动主动控制

以欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)悬臂梁为模型,对压电柔性臂系统的传感器/致动器的优化配置和振动主动控制问题进行推导,简化了智能压电柔性臂系统的动力学方程和压电传感/致动方程,并建立了系统状态空间表达式.从传感器/致动器对相应模态的贡献出发,给出一种考虑模态权重的目标函数,并采用遗传算法对同位配置时的传感器/致动器的优化配置进行研究.基于优化布局结果在柔性臂上黏贴压电致动器和传感器,建立模糊逻辑控制器,对柔性臂在自由衰减和持续激励的情况下分别进行振动主动控制实验.实验结果表明柔性臂在两种激励下的振动均得到到了有效抑制,所提出的优化配置方法和模糊控制策略是可行的.     

自由浮动空间柔性机械臂轨迹跟踪与振动抑制

针对带有效载荷的3连杆全柔性空间机械臂,讨论了对有效载荷运动轨迹跟踪的快速终端滑模控制和连杆柔性振动主动控制问题.基于假设模态法、拉格朗日法和系统动量守恒对柔性连杆进行近似描述,忽略高阶弹性振动模态,推导了一种自由浮动空间柔性机械臂操作刚性有效载荷的动力学模型.在此基础上,采用奇异摄动法将系统模型分解为慢变和快变2个子...     

柔性物料提升机不确定鲁棒控制及振动抑制

以柔性臂式物料提升机为对象,研究了其惯性参数不确定情况下的鲁棒位置控制和柔性振动主动抑制.利用拉格朗日-假设模态法建立其刚柔耦合模型,针对刚柔耦合系统强非线性的特点,基于奇异摄动法,将系统降阶为快、慢双时间尺度子系统,快变子系统表征机械臂柔性振动,采用最优控制主动抑制;慢变子系统表征机械臂刚性运动,考虑到提升机末端负载变化会给系统参数带来不确定性,采用非奇异终端神经滑模控制.计算结果表明:所设计控制器不仅能保证柔性臂式物料提升机位置的精确控制,对末端负载变化有较强的鲁棒性,而且能实现对柔性振动的快速抑制.     

双柔性机械臂伺服系统PI控制策略

柔性机械臂系统中的负载柔性、关节柔性会导致输出转速波动，故使用PI控制策略对伺服系统进行控制.根据连续体振动理论和拉格朗日方程建立同时考虑负载和关节两种柔性的动力学模型，并分析了两种柔性对系统传动特性的影响.使用Arnoldi方法对传递函数进行降阶，并对降阶误差进行评价.采用极点配置方法设计控制器参数，讨论了极点阻尼系数、自然频率等对系统动态特性的影响.最后进行双柔性机械臂的仿真分析和转动控制实验，结果表明：适当调整控制器参数可以有效减弱柔性机械臂伺服传动系统末端的转速波动，进而抑制机械谐振现象，使系统趋于稳定.     

基于神经网络及综合电机特性的柔性关节空间机器人全阶滑模控制

研究了载体位置、姿态均不受控的自由漂浮柔性关节空间机器人机械臂轨迹跟踪及关节柔性振动主动抑制问题,利用系统动量、动量矩守恒关系及第二类Lagrange法,并综合考虑关节驱动电机特性,导出了其全系统动力学模型;然后基于奇异摄动理论将该动力学模型分解为描述机械臂刚性运动的慢变子系统及描述关节柔性振动的快变子系统,并结合关节电机输出力矩与电枢电流的关系,将对控制力矩的设计转化为对电流控制的设计。之后,针对关节柔性振动快变子系统,采用速度差值反馈控制方案对其进行了振动主动抑制;针对机械臂刚性运动慢变子系统,则基于RBF神经网络提出了一种全阶滑模控制方案;其中RBF神经网络用于逼近由系统不确定参数带来的未知非线性项,全阶滑模控制方案的引入在于使控制系统在兼备传统滑模控制方案鲁棒性强特点的同时,还能克服抖振问题。最后,系统数值仿真结果说明了所提方案的有效性。     

气动驱动的移动柔性臂振动控制

针对移动柔性机械臂的振动抑制问题,提出了一种基于有杆气缸驱动的控制方案.该方案采用脉冲码调制方法控制气缸活塞杆的运动,从而抑制柔性臂的振动.文中构建了气动系统回路,推导了气动驱动控制柔性臂的系统模型,并基于控制算法的闭环方程分析了该方法在实现滑块定位的同时实现抑制振动的可行性.最后,建立了基于气动驱动的移动柔性臂实验系...     

刚性拉索横向振动控制的模态等效方法

缆索结构系统跨度大、刚性低、阻尼小,属于大柔性结构,它们经常承受随机载荷如阵风激励,系统要求很高的可靠性;而它们在这种激励下产生的低频谐振,会导致大的振幅而可能有破坏性事故发生,故需要一种有效的方法控制这种横向振动。该文在考虑索抗弯刚度的基础上,通过模态等效方法,采用Hamilton原理经过迭代计算求出抑制振动的轴向主动最优控制力,方便快捷地实现了两端不同支承情况下刚性拉索横向振动的主动刚度控制。     

自由浮动空间柔性冗余度机械臂姿态稳定控制

讨论了自由浮动柔性冗余度空间机械臂的姿态稳定控制问题.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,然后利用拉格朗日法建立空间柔性冗余度机械臂系统的动力学模型.在此模型基础上利用奇异摄动法把系统分解为快慢2个子系统,设计慢变子系统的模糊滑模控制器,以保证轨迹误差的渐近跟踪.对快变子系统则采用最优控制...     

双连杆柔性机械臂的主动控制

对柔性双连杆机械臂位置的主动控制进行研究,给出系统的动力学方程,采用非线性解耦反馈控制方法分别得出系统大范围运动方程和柔性臂的动力学方程,并采用机械臂逆动力学方法和LQR方法分别设计大范围运动控制律和压电作动器控制律.仿真结果表明,该控制方法能够有效地控制机械臂到达的指定位置,并且抑制柔性臂的弹性振动.     

采用RBF神经网络辨识的柔性机械臂抑振控制策略

针对柔性机械臂在运动过程中受到柔性因素的影响会出现剧烈振动的问题，提出一种采用径向基(RBF)神经网络辨识的柔性机械臂抑振控制策略，通过减弱机械臂转角波动的方式间接抑制振动。首先，根据拉格朗日原理和假设模态法建立柔性机械臂的动力学模型，其中的不确定项由模态坐标和转角耦合的非线性项构成；其次，在控制律的设计中采用RBF神经网络对动力学模型的不确定项进行辨识补偿，从而提高驱动力矩的精度；最后，通过调整神经网络权重自适应律的系数，使包含辨识结果的控制律满足李亚普诺夫稳定性定理，从而保证动力学系统的稳定性，其中权重自适应律由高斯函数和误差向量组成。采用柔性机械臂实物控制平台的对比实验结果表明：所提出的控制策略能够有效减小柔性机械臂的转角误差和振动幅值；当柔性机械臂长度为1.5 m时，相比常规比例微分控制策略，采用RBF神经网络辨识的控制策略使机械臂末端振动敏感方向的加速度的方差下降了5.8%。该控制策略为柔性机械臂的振动抑制提供了新思路。     

大型空间柔性组合航天器动力学建模与控制

航天器在轨组装制造和在轨服务维护任务中,捕获航天器通过空间机械臂捕获目标航天器后,整个系统构成一个大型空间柔性组合航天器.本文首先建立了综合考虑机械臂关节、臂杆和航天器太阳翼等柔性部件振动影响的组合航天器动力学模型,采用非线性扭簧模型描述柔性关节,采用假设模态法和有限元法描述柔性臂杆和太阳翼,通过动量守恒和拉格朗日方法推导了柔性组合航天器的动力学方程.然后设计了柔性组合航天器轨迹跟踪与振动抑制复合控制系统,采用奇异摄动方法对组合航天器动力学模型进行了降阶分解,在快慢两种不同时间尺度内分别独立设计了控制器.最后通过数值仿真验证了建模和控制方法的有效性.仿真结果表明,本文所建动力学模型精确有效,能够准确反映柔性组合航天器的运动学和动力学特性;复合控制方法能够保证组合航天器在实现机械臂精确轨迹跟踪控制的同时有效抑制柔性部件振动,具有工程实用性.     

计及环境特征的刚-柔机械臂动力学模型及其控制策略

为了实现柔性机械臂主动柔性控制，基于Kane方程推导建立在惯性参考坐标系中的刚-柔机械臂的非线性动力学模型，并利用假设模态的方法对方程进行离散．在对刚-柔机械臂进行主动柔顺控制时，柔性机械臂要受到未确定外部环境的约束，因此，建立了计及环境特征的一般柔性多体系统动力学模型以及计及环境特征的刚-柔机械臂动力学模型，并分析研究了刚-柔机械臂主动柔顺控制策略．     

具有极点约束的不确定压电柔性结构鲁棒H∞振动控制

以具有范数有界不确定的压电柔性结构为对象,考虑其被控模态参数的不确定性以及剔除残余模态所引起的模型误差,建立了模态空间内结构的不确定线性分式模型;根据所建立的不确定模型,设计了一个对结构进行振动控制的非同位动态输出反馈H∞控制器,并将不确定闭环系统的极点配置在所预设的区域;利用线性矩阵不等式方法,将具有极点约束的不确定压电柔性结构鲁棒H∞振动控制问题转化为一个具有线性矩阵不等式约束和线性目标函数的凸优化问题.仿真结果表明,所建立的模态不确定模型是合理可行的,系统在控制结构低频模态的同时,能很好地抑制在非同位控制中因模型降阶而带来的高阶模态溢出;与单纯的鲁棒H∞控制方法相比较,采用带极点约束的鲁棒H∞控制方法对不确定柔性结构进行振动控制,可保留很好的稳态响应,同时也获得了更理想的动态响应特性.     

空间机械臂捕获操作过程的神经网络镇定控制

分析了柔性空间机械臂捕获卫星过程受到的碰撞冲击效应,及其受碰撞冲击后不稳定运动的镇定控制.利用第二类拉格朗日方程建立空间机械臂系统的动力学模型.基于碰撞过程空间机械臂与被捕获卫星的动量守恒原理,利用动量冲量法计算碰撞冲击对空间机械臂运动状态的影响效应,该影响效应将引起空间机械臂系统的不稳定运动及柔性杆弹性振动.考虑到上述冲击效应,设计神经网络控制算法进行控制,以实现对不稳定运动进行镇定控制及抑制柔性杆振动.最后,通过数值仿真结果验证了上述控制算法的有效性.     

柔性基和柔性关节空间机器人双重自适应控制

为实现参数未知柔性基和柔性关节空间机器人的刚性运动控制及柔性振动抑制,提出一种基于非确定性等价原理的双重自适应控制方案.结合拉格朗日法、动量守恒原理及奇异摄动法,导出基座姿态受控模式下的系统动力学方程及其在双时间尺度下的快、慢变子系统.利用一类新型低通滤波信号对系统回归矩阵进行修正,针对慢变子系统设计一种可多参数调节的非确定性等价自适应控制策略,以实现参数未知工况下基座姿态及关节的轨迹跟踪.针对具有不确定性快变子系统,设计一种可使快变子系统渐近稳定、抑制基座和关节柔性振动的自适应控制策略.仿真结果验证了所提双重自适应控制方案在系统刚、柔性运动控制上的有效性.     

压电悬臂板的非线性振动控制

针对柔性悬臂板结构弯曲和扭转模态振动的测量、控制问题,采用压电传感器和驱动器进行优化配置及非线性振动控制.首先,建立了粘贴分布式压电片的悬臂板有限元模型;其次,基于所建立的模型和一种能量耗散方法进行了压电驱动器/传感器的位置配置,实现了弯曲和扭转模态振动在检测及驱动上的解耦;最后,提出一种非线性控制算法,建立了压电悬臂板实验平台,通过实验进行弯曲和扭转模态振动控制的比较研究.结果表明,该非线性控制算法可以更快速地抑制振动,传感器/驱动器配置可以实现弯曲和扭转模态振动的测量及控制解耦.     

一种改进的柔性关节机械臂分级滑模控制

为实现多自由度柔性关节机械臂高精度定点控制和振动抑制,提出了一种改进的分级滑模控制算法.该算法借鉴分级滑模的思想,分别根据减速器输出角和关节角设计第一级滑模面,然后根据第一级滑动模态设计第二级滑模面.采用双幂次趋近律,使滑动模态无论是远离还是接近滑模面时都具有很快的趋近速度,而且控制力矩的抖振小,动态性能好.应用李雅普诺夫理论证明了所设计的控制器能够保证二级滑动模态有限时间有界稳定,进而一级滑动模态和系统状态也是有限时间有界稳定.数字仿真结果表明,所提控制算法与未改进之前相比,关节角的响应时间快1 s,并且提高了定点控制的精度,有效减小了抖振.     

多输入控制振动系统的多步反向极点配置法

在多步极点配置的基础上,为实现系统部分极点的重新配置,引入了反向极点配置策略。同时对欲配置极点选择采用频率靠近低频值的处理,这样不仅系统不会出现控制力很大的现象,而且系统配置很容易实现,这对于振动主动控制系统的实现具有实际的意义,同时该方法具有思路简单、可操作性较强的特点。算例表明该方法是有效的。     

具有边界扰动柔性机械臂的鲁棒自适应边界控制

针对边界未知扰动和系统结构参数均具有不确定性的柔性机械臂系统,为了抑制其振动和提高振动控制效果,通过对柔性臂的结构参数估计,采用自适应和边界控制技术,设计了带有边界扰动观测器的鲁棒自适应边界控制对柔性臂振动进行控制。所设计控制算法能补偿结构参数不确定性和避免了控制溢出,边界扰动观测器能抑制和跟踪边界未知扰动的影响。随后利用Lyapunov综合法对控制系统的稳定性和一致有界性进行了证明。仿真结果进一步验证了该控制算法对抑制柔性臂振动的有效性。