双三角钻臂直接定位自适应预测控制

针对复杂非线性系统控制中闭环预测存在的缺陷,提出了一种适合于一般非线性系统的非齐次时变线性模型,给出并证明了其存在性定理,推出了基于该类模型的自适应预测控制算法;引入直角坐标系和斜角坐标系来描述双三角钻臂的结构和运动特性,通过坐标变换,根据给定的钻臂目标运行轨迹对各液压缸的运行速度作出决策,采用自适应预测控制策略控制其运行速度;在原有双臂凿岩台车的基础上研制了一套完整的凿岩台车两级计算机控制系统,应用上述方法实现了双三角钻臂轨迹跟踪直接定位控制.     

伸缩臂高空作业车轨迹跟踪控制方法研究

给出了一种伸缩臂高空作业车的作业平台轨迹跟踪控制方法.通过对液压动力系统及液压比例流量阀的特性研究,结合某伸缩臂式高空作业车的结构特点,提出了一种基于机械臂油压系统的控制模型,针对该模型设计了PID控制器,实现了作业平台的轨迹跟踪控制.采用所提出的控制方法,在某伸缩臂式高空作业车样机上进行了实验,成功实现了对高空作业臂...     

液压凿岩台车钻臂振动特性分析

钻臂作为凿岩定位工作的直接完成者,在凿岩冲击反力激励下往往会振幅过大,影响成孔质量和液压元器件、钻臂的使用寿命。因此有必要对凿岩机的激励特性、结构动力学特性和振动响应进行研究。以阿特拉斯凿岩台车钻臂和Cop 1838ME型凿岩机为研究对象,对凿岩机活塞进行动力学分析,并采集活塞动力学数据,得到了振动激励的定量计算公式。利用hypermesh建立全钻臂的有限元模型,进行有限元模态分析,得到钻臂结构的动力学特性。进而对钻臂进行瞬态分析,得到钻臂的振动响应。对通常的钻臂、凿岩机和其他冲机器的振动分析和减振设计、力学分析以及轻量化设计具有一定的指导意义。     

三角钻臂的运动控制研究

建立了三角臂的杆件坐标系，利用多关节闭链的约束条件建立了运动学方程，得到了由给定钻臂位置计算油缸长度的精确算式．增加油缸俯仰角的测量点后，得到缸长的简化算式，减小了油缸长度的在线计算量，应用该式可提高三角钻臂轨迹控制的精确度。     

双三角钻臂的定位控制及仿真

推导双三角机械臂的关节变量到支臂油缸长度计算的增量公式，运用该式提出一种新的钻臂定位的控制系统结构，即直接以关节变量（而不是油缸长度）为目标的闭环控制系统。在MATLAB环境下对以上算式及控制系统结构进行仿真验证。先在ADAMS中建立双三角臂的动力学模型，然后将该模型导出成为MATLAB．m计算模型，最后在MATLAB中实现钻臂定位的闭环控制系统仿真。针对某实际钻臂的仿真结果表明，增量算式尽管是在微变情况下推导的，在偏差较大的范围内应用时其计算误差对定位过程影响不大，体现在钻臂轨迹于隧道断面的投影不是直线，同时不会影响最终的控制精度，可以用于实际控制。     

凿岩钻臂模糊PID控制的研究

就凿岩钻臂的自动定位系统进行了研究.针对比例阀阀控非对称缸位置系统存在的响应较慢、时变严重等特点,提出了模糊自适应整定PID(Proportional-Integral-Differential)的控制策略,仿真结果表明,这种方法具有结构简单、实时性好、对参数的扰动具有较强的鲁棒性等优点,可以实现钻臂的精确定位.     

凿岩机器人钻臂的运动学研究

为实现凿岩机器人钻臂在凿岩过程中的自动定位,建立了多关节钻臂的运动学方程;根据钻臂的实际工作特点和工作范围提出了一种求逆解的方法．运算结果表明,该方法可以成功地实现快速、精确求解,具有较高的实用价值．     

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.     

基于操作空间的机械臂自适应模糊鲁棒控制

为提高动力学模型不确定的机械臂系统的跟踪精度, 提出了一种基于操作空间的自适应模糊的鲁棒轨迹跟踪控制方法。考虑存在未知的外部扰动和其他未建模动态, 引入GL(General Linear)矩阵及其乘法算子,利用模糊系统逼近任意非线性函数的能力对机械臂动力学进行前馈补偿, 通过鲁棒控制项抑制建模误差和有界扰动。该方法无需求解机械臂在操作空间的动力学模型。根据Lyapunov 稳定性理论证明了系统的稳定性,并通过仿真实验验证了所设计控制器能达到较好的轨迹跟踪效果。     

多关节凿岩机械手快速定位方法

凿岩机器人在工作时,完成的任务是随机的,它每1只机械手具有6个转动关节和3个移动关节.在定位时,其运动学逆运算过程相当复杂,为满足实时控制的需要,必须实现快速逆运算.作者在分析凿岩机器人钻臂结构的基础上,利用钻臂的双三角支架的空间平移性能,根据各关节变化所引起的钻臂端部位姿的变化,综合机器人学中运动学知识,建立一个专家系统,采用拟人化的方案--"先定点,再定位姿",解决凿岩臂的快速定位问题,以实现描述各关节位置的变量的快速逆运算.根据实际工作情况,首先使钻臂的端点与目标定位点重合,求解出相应的关节运动变量的值,然后把凿岩机械手看作闭链机构,再选择相应的运动关节确定钻臂的空间位置,从而简化了计算的难度,可快速、精确地求解机械手的各关节变量值.     

推靠式旋转导向井眼轨迹预测与控制方法

旋转导向钻井系统是现代导向钻井技术的发展方向。通过导向机构调节导向参数来预测和控制井眼轨迹,是旋转导向钻井系统的关键技术之一。为解决推靠式旋转导向钻具的导向力和工具面角对井眼轨道的控制问题,对导向力分别在井斜平面和方位平面进行解耦;并应用了纵横弯曲理论建立了底部钻具组合三维力学分析模型,得出了导向参数与钻头侧向力和转角的定量关系。在考虑钻头和地层的各向异性因素的影响下,利用在UPC模型基础上提出的有效钻力的概念,通过计算钻头有效钻力来预测实钻过程中的钻进趋势。在此理论基础上,计算了按设计的井眼轨道钻进所需要的导向参数,并讨论了井眼轨迹参数、钻压、钻头各向异性参数和地层参数对钻具导向性能的影响;分析了其中的规律,并得出只有综合考虑上述各项因素,才能准确计算出导向参数,确保钻头沿设计轨迹钻进,也为旋转导向井眼轨迹控制提供了理论依据。     

四旋翼动力学建模及非线性PID轨迹跟踪控制

四旋翼无人机因其简单易用性被应用于航空摄影、天气监测、交通监控、军事监视和地球科学等领域,可以配备摄像头和各种传感器按照既定轨迹飞行,来准确执行许多复杂的任务。通过四旋翼飞行器系统刚体运动学建模及模型线性化处理,针对速度和姿态角较小时的轨迹跟踪问题,设计了级联双闭环比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制器。利用Simulink对所设计模型进行仿真分析,验证了定点悬停和平面正弦轨迹跟踪性能。仿真结果表明:基于小角度假设条件下,所设计PID控制系统可以有效地完成四旋翼飞行器的既定轨迹跟踪。最后通过实物飞行测试,验证了控制算法的有效性。     

机械式静态双层推靠自动垂直钻具设计

为满足小尺寸垂直钻探的作业要求,设计一种外径127 mm、具有双层推靠活塞的机械式静态自动垂直钻井工具。该垂直钻具不含独立的电子和液压系统,仅依靠偏重块在重力作用下自动偏向井眼低边的物理特性,带动环阀转动进而改变钻井液流道的开闭,使钻井液在钻具内部和环空中形成压差,驱动双层分布的8个活塞以相应的组合方式推向井眼高边,实现自动纠斜,维持井眼垂直。该钻具采用全新的环阀设计,避免常规盘阀较大的摩擦阻力,提高纠偏的灵敏度和精度,其推靠活塞为独特的双层分布,纠斜时有3个不同层的推靠活塞同时推出,可在较小的钻头压降下获得较大的推靠力和纠斜力矩,纠斜能力显著提升,而且不同层推出的3个推靠活塞形成稳定的三角结构,有效提升钻具的稳定性和可靠性。在钻具结构设计的基础上,对钻具偏心机构、推出机构的力学性能进行分析,并研究角接触球轴承的摩擦阻力对钻具纠斜行为的影响。结果表明:该自动垂直钻具的推靠合力是单个推靠活塞的1+2~(1/2)倍,理论上其纠斜精度仅在井斜角降至0.154°后才会受到影响,纠斜极限井斜角可达0.059°,具有很好的纠斜能力、纠斜精度和灵敏度,而且该钻具结构设计简单,造价及维护成本较低,其机械式的控制方式不受井下温度影响,具有很好的现场应用前景。     

基于曲率跟踪方法的轴上拖挂轮式移动机器人的运动控制设计

目的 针对轴上拖挂轮式移动机器人中的挂车对目标轨迹精确跟踪控制问题,提出了一种能够跟踪挂车理想运动轨迹曲线相对曲率的双环控制方法。方法 首先通过梳理轴上拖挂轮式移动机器人受到的非完整约束建立出运动学模型,并通过欧拉-拉格朗日方程建立其动力学模型;然后利用运动学方程推导出挂车的理想运动轨迹曲线的相对曲率和拖车与挂车理想偏航角之差之间满足的重要函数关系式;最后基于该核心关系式,利用姿态误差系统的外环速度控制器和动力学模型的内环比例积分反馈控制器组成的双环控制方法来实现给定的跟踪任务。结果 仿真结果表明,对于外环系统,外环速度控制器使得姿态跟踪误差在经过一段时间的变化后全都趋近于零,实际的姿态变量最终稳定地趋近于目标姿态变量;对于内环系统,内环比例积分反馈控制器使得速度跟踪误差经过短暂的调整后趋近于零,实际速度值最终稳定地趋近于参考的速度值。结论 设计的双环控制器可以有效地实现姿态跟踪和速度跟踪,能够使挂车精确地跟踪理想运动轨迹曲线,由于在姿态跟踪过程中引入了挂车运动轨迹曲线的相对曲率,该方法可以极大地提高轨迹跟踪的精确度。     

基于阻力特性的液压挖掘机复合挖掘力建模

基于挖掘过程中三缸联动的实际作业状态,提出复合挖掘力概念.根据动臂、斗杆和铲斗的各自分工确定复合挖掘力限制条件;利用阻力角和差值角的主值区间确定复合挖掘力方向角的取值范围;假设给定挖掘姿态下复合挖掘力大小随方向角渐变,建立复合挖掘力计算模型.以某36 t反铲液压挖掘机为例,验证了该假设的正确性.以真实挖掘轨迹和测试挖掘阻力为基准,对比现有理论挖掘力模型和复合挖掘力模型的计算结果,结果表明后者能够更准确地估算挖掘机的复合挖掘能力.该研究为挖掘机工作装置的优化设计和强度分析提供了评价标准和计算依据.     

液压挖掘机工作装置模型及控制的试验研究

对某型液压挖掘机的工作装置进行3自由度的动力学分析，利用拉格朗日方法建立其动力学方程；并在该动力学方程的基础上给出挖掘机铲斗轨迹控制方法；介绍控制系统的软件、硬件、反馈检测装置、轨迹控制器以及为了对挖掘机进行计算机控制所进行的相关改造；给出PID控制的框图、铲斗轨迹跟踪控制表达式；对其铲斗轨迹跟踪控制进行三自由度的测试试验；由于试验挖掘机所采用的控制阀为电液比例阀，有较大的死区，为了保证控制精度，给出了死区补偿的试验方法以及PID参数设置方法和数值。研究结果表明：在所给定的PID参数下，铲斗跟踪的设定水平直线长度为2．500m，对铲斗水平跟踪速度为136mm／s，其精度可以控制在110mm之内，非直线度最大为4．2％。     

利用旋挖机实时钻进参数判定持力层的方法

旋挖钻机作为当前嵌岩桩成孔的一种重要的快捷施工方式,优势显著。其钻进过程中在线监控系统实时监测的随钻参数不仅仅可作为施工操作的主要依据,还可为嵌岩桩持力层的判定提供基础性数据。鉴于施工场地赋存环境的复杂性,钻进中必然导致钻进率、钻杆钻速、给进力、动力头扭矩等随钻参数的时空演化。根据采集的随钻参数数据库及理论分析,建立随钻参数随钻进深度的变化曲线,结果表明单因素变化曲线不能准确识别持力层。在此基础上,进一步提出基于多因素协同控制的持力层判定方法,建立岩体荷载强度模型进行基于随钻参数综合指标的持力层判定。采用该模型分析旋挖钻进过程中持力层岩体的强度和承载力,与地质勘测中的岩体强度测试结果对比,所判定的持力层特征符合实际。由此可见,基于随钻参数的持力层判定方法进行钻进过程中的岩层特性确定及持力层判定是可行的,可用于不同赋存环境下钻进过程中的持力层辨识。     

液压四足机器人单腿的分数阶虚拟模型控制

虚拟模型控制广泛用于四足机器人的运动控制器设计中. 提出了一种分数阶虚拟模型控制器,在保证四足机器人柔性触地的同时,提高四足机器人小跑运动中单腿轨迹跟踪的精确性和鲁棒性. 介绍了关节液压缸力控制系统的频域建模过程及基于非线性寻优法的单腿虚拟模型控制器的参数整定,并通过实验对比了分数阶虚拟模型控制和传统虚拟模型控制在四足机器人小跑运动中单腿的控制效果,证明了分数阶虚拟模型控制对单腿轨迹跟踪性能的改善作用.