变姿态柔性机械臂横向振动主动控制理论与实验

综合模态控制和极点配置方法来抑制变姿态柔性机械臂的横向振动.建立了工程适用的柔性机械臂回转系统简化动力学模型,通过模态滤波器和状态观测器实现机械臂末端横向加速度到模态速度和模态位移的转换,结合极点配置法获得当前姿态下系统的模态增益系数,可计算得到模态控制力和实际控制力.实现了基于NI控制器和回转液压作动器的主动控制实验系统,开展了变姿态条件下柔性机械臂横向振动主动控制实验,结果验证了上述方法对变姿态条件下柔性机械臂横向振动抑制的有效性.     

基于应变响应贡献度的细长体翼面结构振动试验方法

针对典型细长体翼面结构的特点,采用单振动台激振、柔性夹具及多点平均响应控制的方法进行振动疲劳试验:通过对试件进行振动载荷虚拟加载,确定目标模态;设计柔性夹具对其进行柔性支持,使试件在柔性夹具支持下共振频率、振型与目标模态一致;通过虚拟加载的方法,研究试件翼面加速度响应,选取加速度响应较大的两个点和较小的两个点进行四点平均,控制振动台的载荷加载。试验结果表明:通过本文方法设计的柔性夹具在振动试验中使试件复现了目标模态;通过虚拟加载方法在试件翼面确定了四个控制点进行平均控制,精确控制了试验载荷加载。     

典型细长体翼面结构的振动试验方法

针对典型细长体翼面结构的特点,采用单振动台激振、柔性夹具及多点平均响应控的方法进行振动疲劳试验：通过对试件进行振动载荷虚拟加载,确定目标模态;设计柔性夹具对其进行柔性支持,使试件在柔性夹具支持下共振频率、振型与目标模态一致;通过虚拟加载的方法,研究试件翼面加速度响应,选取加速度响应较大的两个点和较小的两个点进行四点平均,控制振动台的载荷加载。试验结果表明：通过本文方法设计的柔性夹具在振动试验中使试件复现了目标模态;通过虚拟加载方法在试件翼面确定了四个控制点,进行平均控制,精确控制了试验载荷加载。     

回转起重机载荷摆动建模误差及不确定性定量分析

时变的非线性动力学特性和操作环境的不确定性是阻碍起重机自动化的主要因素.本文对回转起重机载荷摆动模型线性化过程中存在的误差进行了定量分析,定量描述了动力学参数对载荷摆动的最大幅值和频率的影响规律,揭示了不确定操作环境的作用规律,从而更精确描述起重机在同时做变幅、回转和起升运动工况下的系统动力学特性,为实现起重机操作自动化提供了理论依据.     

基于Recurdyn的回转起重机仿真研究

回转起重机在工作的过程中,由于离心力和惯性力的作用,会导致吊物摆动。吊物的摆动会对起重机产生冲击载荷,影响起重机的工作效率和安全性能。该文采用Recurdyn及Recurdyn/Belt模块建立集刚柔于一体的回转起重机动力学仿真模型。通过对模型的仿真研究得出回转起重机的回转机构运动对吊物的摆动影响最大。     

具有强鲁棒性的时滞滤波器设计

采用了零极点配置方法来设计具有强鲁棒性的时滞滤波器,消除小阻尼不确定性系统的残留振动。通过在系统极点附近配置多个滤波器零点,建立离散传递函数得到时滞滤波器方程,设计简单。该方法在起重机载荷防摆控制中得到了很好的应用,能够有效地消除载荷的摆动,且对缆绳长度的变化具有很好的鲁棒性。     

一种新型的桥式起重机位置补偿消摆控制策略

为了抑制起重机的载荷摆动，提出了一种新型位置补偿消摆控制策略，通过载荷摆角计算载荷相对于小车的水平位置偏差，并将这一偏差乘以自适应反馈增益，修改参考指令后使系统获得合理的阻尼，从而有效地抑制了载荷的摆动，计算机仿真和试验结果表明，这一控制策略将瞬时摆动角度降到60％，可在半个摆动周期内有效抑制残留摆动，并使残留摆动幅值降到20％，由于反馈增益随系统参数的变化而变化，使控制策略对起升运动引起的参数变化具有较强的鲁棒性，因此对噪声不敏感，且在工程中易于实现。     

柔性二级倒立摆的准滑动模态控制研究

柔性二级倒立摆是一个高阶非线性强耦合的自然不稳定系统,为了对其进行稳摆控制,基于建模机理建立了柔性二级倒立摆数学模型,提出准滑动模态控制方法,设计了滑模变结构控制器,使系统具有较好的稳摆控制和鲁棒性.仿真结果表明:基于准滑动模态控制的滑模变结构控制方法能够更好地实现倒立摆稳定控制;比传统指数趋近率的滑模控制器输出更加平滑,削弱了抖振.     

前置水翼对摆动翼水动力性能影响机理研究

为研究双体干扰对摆动翼水动力性能的影响机理,基于计算流体力学(CFD)方法,针对均匀来流、前置水翼刚性静止及柔性波动尾流场中摆动翼的水动力性能开展数值研究．通过改变摆动翼的平移幅值和运动频率计算推力系数、功率消耗及推进效率的变化趋势,以流场的压力分布云图、纵向速度分布云图及涡结构的演变特征分析前置水翼对摆动翼推进性能影响的机理．计算结果表明：前置水翼的存在能够提升摆动翼的推进性能,并且前置水翼进行柔性波动运动时摆动翼的推进性能最优;前置水翼的尾缘脱落的涡能够融于摆动翼表面的附着涡,提升附着涡的强度;上游的柔性波动水翼尾缘处脱落一个强度较大的尾缘涡,对摆动翼表面的附着涡产生挤压作用,提升附着涡的强度并加速附着涡的脱落．     

鱼形仿生柔性翼结构设计及优化

以锦鲤为生物原型,开展了鱼形仿生柔性翼结构设计及优化研究。通过循环水池实验,表征出锦鲤游动姿态;基于折纸结构,建立鱼形仿生柔性翼结构模型,研究其驱动载荷和振动幅值的特性。设计正交试验,分析鱼形仿生柔性翼结构设计的主要几何参数对其性能的影响规律,并通过周期性运动对其性能进一步分析。结果表明：结构外板厚度、结构内板厚度和隔板角度对驱动载荷和振动幅值的影响依次增大。仿生柔性翼外/内板厚度、隔板角度依次为0.7mm/0.3mm、75°,其摆动姿态和实际锦鲤摆动姿态的最大偏差是8.13%。且该结构的极限屈服幅度远大于试验的最大屈服幅度,回弹性能好。     

高压绝缘子清扫机器人的动力学建模及分析

从支柱型绝缘子带电清扫机器人的振动问题中，提取出一类由柔性臂和刚性臂组成的系统，刚性臂和柔性臂之间采用垂直移动关节连接，构成了末端具有移动刚体的柔性臂系统．在假设模态法的基础上建立了系统的Lagrange动力学模型，建模过程考虑了重力对柔性臂振动的影响．根据模型分析了刚性臂全局运动与柔性臂柔性振动的相互影响，刚性臂的全局运动使柔性臂的振动频率降低，阻尼增加．应用该模型对绝缘子清扫机器人的振动进行了仿真．为优化清扫臂的全局运动，降低升降臂的振动提供了依据．     

带挠性轴太阳帆板与航天器中心刚体耦合动力学研究

建立了带挠性轴太阳帆板航天器的物理模型, 利用保守系统的Lagrange方程, 导出 了带挠性轴太阳帆板航天器系统动力学方程. 通过变换, 给出太阳帆板、 航天器中心刚体 耦合运动微分方程组. 应用Runge-Kutta积分法得出数值结果. 并分析了太阳帆板转动惯量 、 挠性轴的扭转刚度、 太阳帆板的初始扰动对航天器姿势运动的影响.     

有限冲击最优时滞滤波器抑制柔性系统残留振荡的研究

针对时滞滤波器在抑制柔性系统残留振荡的同时刚体产生冲击这一问题，提出了一种有限冲击最优时滞滤波器．通过确定最大冲击值，对指令信号的时间变化率加以限制来设计有限冲击控制指令，然后令柔性模态振荡能量最小，计算滤波器的最优时滞．研究结果表明，该滤波器形成的控制信号是一系列的斜坡信号，对时间的变化率不超过允许的最大冲击值，从而降低了未建模动态激励．该滤波器的特点是在抑制柔性系统残留振荡的同时，不仅减小了刚体运动冲击，而且又使系统的响应速度提高了30％．     

Neuro-Sliding-Mode Control of Flexible-Link Manipulators Based on Singularly Perturbed Model

A neuro-sliding-mode control (NSMC) strategy was developed to handle the complex nonlinear dynamics and model uncertainties of flexible-link manipulators. A composite controller was designed based on a singularly perturbed model of flexible-link manipulators when the rigid motion and flexible motion are decoupled. The NSMC is employed to control the slow subsystem to track a desired trajectory with a traditional sliding mode controller to stabilize the fast subsystem which represents the link vibrations. A stability analysis of the flexible modes is also given. Simulations confirm that the NSMC performs better than the traditional sliding-mode control for controlling flexible-link manipulators. The control strategy not only gives good tracking performance for the joint angle, but also effectively suppresses endpoint vibrations. The simulations also show that the control strategy has a strong self-adaptive ability for controlling manipulators with different parameters.     

高压绝缘子清扫机器人的运动优化

研究了高压绝缘子带电清扫机器人的振动控制问题，提出了以升降臂的残余应变能为性能指标，应用极小值原理优化清扫臂伸缩运动的加速度，降低升降臂残余振动的方法．针对包含两点边值问题的优化问题，给出了用满足边界约束条件下，加速度离散节点的三次样条插值曲线逼近加速度曲线的数值解法，并将得到的优化轨迹的减振效果与经过优化的梯形速度曲线进行了比较．结果表明，该方法可以更有效地降低升降臂的残余振动．     

柔性翼飞行器刚柔耦合动态特性研究

针对柔性翼飞行器柔性机翼弹性运动与飞行器刚体运动具有强耦合特性,基于拉格朗日方程,建立了柔性翼飞行器动力学模型.在特征点处对动力学模型进行小扰动线性化处理,并联立非定常气动力模型,得到了状态空间形式的纵向线性运动方程.分析了机翼结构刚度对飞行器纵向稳定性的影响以及飞行器的模态耦合动态特性.研究结果表明,柔性翼飞行器的弹性自由度会对飞行器的短周期模态造成较大影响.随着飞行速度的提高,短周期模态频率增加而1阶弯曲弹性模态频率降低,当两者频率趋向一致时,飞行器会发生体自由度颤振,体自由度颤振速度要明显低于基于悬臂梁机翼模型计算得到的颤振速度.      

作大范围运动弹性结构振动频率及模态的摄动解

根据参数摄动理论,建立了作大范围运动弹性结构特征频率与模态的摄动理论,推导了作大范围运动弹性结构的特征频率与模态的1阶、2阶摄动方程.以作大范围运动弹性梁为例,求解了作大范围转动弹性梁振动频率与模态的1阶、2阶摄动近似解,并与结构动力学意义下的频率与模态进行了比较.该方法解决了在柔性多体系统中大范围运动对柔性体变形运动的振动频率与模态的影响这类刚 柔耦合问题,同时为任意柔性多体系统刚 柔耦合动力学程式化建模提供了高效、精确的离散方法.     

一种新的双连杆柔性臂机器人混合控制策略

以宏微双重驱动的双连杆柔性臂机器人为对象 ,提出了一种新的关节角控制律设计方法 ,即基于刚性模态设计实现关节位置控制的滑模算法 ,再根据关节角误差信号建立模糊推理表确定对滑模控制律的二次修正量 ,用修正后的控制律去控制柔性臂的摆角 ;通过将控制律在完整的系统模型上进行计算机仿真表明 ,算法可以很好地实现关节角位置控制和抑制残余振动 .     

多控制面柔性翼飞行器阵风减缓研究

小型柔性翼飞行器遭遇较强阵风时会引起姿态和质心加速度的剧烈变化,并诱发柔性机翼的弹性运动,甚至导致失稳.柔性翼飞行器的阵风减缓控制需要同时考虑刚体自由度和弹性自由度.基于最小状态法,将频域非定常气动力转化成时域状态空间形式.推导了离散阵风和连续紊流扰动下,柔性翼飞行器的纵向状态空间方程.采用预测控制方法设计了阵风减缓控制器,提出了多控制面控制分配策略,解决了强阵风扰动下独立控制面控制力不足的问题.仿真结果表明,模型预测控制能够有效减缓离散阵风和连续阵风扰动下飞行器的结构载荷,稳定刚体运动和弹性运动,其控制效果优于线性二次高斯（LQG）控制.      

具有挠性附件充液运动体的姿态动力学与控制

研究了一类带挠性附件的充液运动体的姿态运动及其控制，建立了系统的运动微分方程；给出了刚体、液体和弹性体的控制律；利用现代数学方法；得到了受控系统姿态渐近定位和指数镇定的结果。