基于阻尼可控和振動抑制的柔性臂系統末端跟蹤控制之機械研究

來源: www.tcwpwd.live 作者:vicky 發布時間:2019-06-18 論文字數:48574字
論文編號: sb2019052709564226446 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇機械論文,筆者通過考慮旋轉直流電機驅動系統的動態方程和柔性連桿振動的高階模態截斷誤差,并結合擴展漢米爾頓法和假設模態法,建立了旋轉電機驅動柔性臂系統的整體動力學
本文是一篇機械論文,本文研究連桿柔性的機械臂系統末端軌跡跟蹤和振動抑制的問題。通過兩種方法來解決這個問題,即通過改進柔性臂系統驅動器控制算法,和在柔性臂系統中增加可控阻尼直接進行振動抑制。

第1章緒論

1.1課題研究背景和意義
1.1.1柔性臂系統
隨著中國智能制造2025戰略提出和推進,制造領域和機器人領域對運動精度提出了更高的要求。而在工業應用、機器人、消防安全和航空航天等領域中,具有輕質狹長柔性結構的系統普遍存在。
在工業應用中,常用的操作設備如圖U中的三坐標機械臂和SCARA機器臂,其操作臂的連桿都會有一定的柔性。這些設備在高速運動時,其連桿末端會產生振動,從而影響末端位姿的準確性。

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1.2國內外研究現狀
柔性臂系統因連桿剛度降低,在高速運動時會產生振動的情況。如何有效地減輕振動,是柔性臂系統運動控制的核心問題。對柔性臂系統進行振動抑制的方法,主要可以從三個方面來考慮:運動軌跡規劃、驅動器抑振控制算法設計和增加抑制振動的作動器。軌跡規劃和驅動器控制算法設計都是不改變硬件設備,通過軟件算法來改善系統整體的運動性能。而增加作動器來抑制振動,是對振動抑制最為直觀的方法。
對柔性臂系統的運動控制算法設計,無論是否使用抑振作動器都離不開系統的模型。但是對于柔性連桿的建模問題,目前沒有特別筒潔的處理方法,需要在計算精度和計算復雜度上進行取舍。對柔性連桿的復雜摸型進行簡化,應用到運動控制算法設計當中。在實際柔性臂實驗平臺上實施運動控制算法,還需要對整體系統進行辨識,以得到較為準確的系統參數用來進行控制。在實施控制算法時,狀態的測量根據系統設計的不同會略有差異,對于柔性臂系統需要特別注意的就是柔性臂連桿振動的檢測方法。因而,柔性臂系統研究涉及以下幾個方面:建模方法,辨識方法,控制方法,振動檢測方法和抑制振動作動器等。接下來,本文將分別對這幾個方面的研究現狀進行介紹。
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第2章柔性臂系統動力學建模和運動特性分析

2.1柔性臂系統建模
為了更加清楚的了解柔性臂系統的特性,對其進行數學建模就顯得十分重要。柔性臂系統可以分為兩大部分:柔性連桿部分和驅動電機部分。為此,首先將細長柔性臂連桿假設為歐拉-伯努利梁,采用假設模態法來逼近真實的振動情況。
2.1.1懸臂梁連桿的振動描述
對于一般的懸臂梁,其一端固定,另一端自由的情況下,其受力狀況如圖2.1所示。

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2.2柔性臂系統運動特性分析
2.2.1實驗臺運動特性分析

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第3章柔性臂系統辨識..............31
3.1柔性臂連桿的頻域辨識............31
3.2柔性臂系統的最小二乘辨識...............33
第4章基端驅動柔性臂系統的自適應魯棒控制..........42
4.1柔性臂系統控制算法設計難點與整體框架..........42
4.1.1難點分析...........42
4.1.2控制框架...............42
第5章阻尼可控與基端驅動聯合的柔性臂系統的末端軌跡跟蹤控制............57
5.1可控阻尼與直線電機聯合驅動柔性臂系統設計方案................57
5.2聯合軀動柔性臂系統建模................58

第5章阻尼可控與基端驅動聯合的柔性臂系統的末端軌跡跟蹤控制

5.1可控阻尼與直線電機聯合驅動柔性臂系統設計方案
對于柔性臂系統連桿的振動還可以通過使用抑振作動器來抑制。本章將在直線電機驅動的柔性懸臂梁上增加磁流變阻尼器進一步抑制柔性臂連桿的振動,并通過在梁上布置壓電傳感器來檢測梁的振動,研究阻尼可控和基端驅動聯合的柔性臂系統的末端軌跡跟蹤控制方法。磁流變阻尼器是一種輸出阻尼可控的阻尼器,阻尼器的安放位置參考壓電抑振作動器的安放,安置在柔性臂的根部。整個柔性臂系統實驗平臺組成如圖5.1所示。

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第6章總結與展望

6.1總結
柔性臂系統因其運動速度快能耗少的優點,在工業生產和航空航天等領域應用廣泛。本文研究了基于阻尼可控與振動抑制的柔性臂系統末端軌跡跟蹤問題。本文具體完成的內容包括以下幾個方面:
1.柔性臂系統動力學模型建立
通過考慮旋轉直流電機驅動系統的動態方程和柔性連桿振動的高階模態截斷誤差,并結合擴展漢米爾頓法和假設模態法,建立了旋轉電機驅動柔性臂系統的整體動力學模型。
2.柔性臂系統模型參數辨識
對柔性臂系統分別使用頻域辨識、最小二乘辨識、子空間辨識和補償模型誤差的子空間辨識四種方法進行辨識。通過對比辨識效果得出,在辨識系統中考慮庫倫摩擦和常值誤差可以減小辨識模型的誤差。同時基于獨立未知參數的最小二乘辨識得到的柔性臂系統模型最為接近實際系統。
3.基端驅動柔性臂的自適應魯棒控制末端軌跡跟蹤算法設計
針對單純使用控制算法進行柔性臂系統末端軌跡跟蹤控制的情況,提出了基端驅動柔性臂系統的自適應魯棒控制末端軌跡跟蹤算法。通過在線自適應模型補償來抑制模型參數不確定;采用魯棒反饋控制來抑制干擾影響,保證大幅度軌跡跟蹤的準確性;采用振動反饋控制來抑制末端小幅振動影響。通過實際實驗驗證了所提控制算法的效果,同時對比了傳統控制算法PID和LQR對柔性臂系統的控制效果。實驗結果表明提出的控制算法,在保證運動精度前提下可以同時減小振動。
參考文獻(略)

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