基于壓電致動(dòng)器的空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的軌跡跟蹤與振動(dòng)抑制一體化控制研究.pdf

1、空間柔性機(jī)械系統(tǒng)的軌跡跟蹤和振動(dòng)抑制問題是當(dāng)前柔性結(jié)構(gòu)和航天科技領(lǐng)域中及其重要又富有挑戰(zhàn)性的課題。本學(xué)位論文在國家自然科學(xué)基金的資助下，以空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制和振動(dòng)抑制技術(shù)為研究背景，以一類由壓電致動(dòng)器/傳感器、伺服電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和柔性臂等構(gòu)成的典型智能空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究了伺服電機(jī)和壓電致動(dòng)器聯(lián)合作用下柔性臂系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，并建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型和驅(qū)動(dòng)模型;解決了系統(tǒng)中致動(dòng)器/傳感器的優(yōu)化配置問題;深入研究

2、了空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的抑振軌跡規(guī)劃機(jī)理和優(yōu)化算法;確定了柔性臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制策略和振動(dòng)抑制策略，最終實(shí)現(xiàn)了在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和壓電致動(dòng)器主動(dòng)控制下空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的軌跡跟蹤和振動(dòng)抑制一體化控制。提高了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制精度和工作效率。
　　以一類包含伺服電機(jī)、減速器、柔性臂、末端操作對(duì)象以及壓電致動(dòng)器/傳感器在內(nèi)的空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于假設(shè)模態(tài)法和Hamilton原理建立了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。并對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，提

3、出了考慮摩擦力矩、減速器及柔性臂彈性振動(dòng)的耦合反力矩的伺服電機(jī)機(jī)電耦合模型。
　　基于線性二次最優(yōu)控制理論，提出了致動(dòng)器/傳感器的復(fù)合優(yōu)化配置準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則包含兩個(gè)控制指標(biāo):①綜合柔性臂彈性振動(dòng)能量、壓電致動(dòng)器控制能量，系統(tǒng)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)能量、以及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)能量的LQR綜合能量指標(biāo);②致動(dòng)器引入對(duì)系統(tǒng)特性影響的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固有頻率變化率指標(biāo)。然后采用改進(jìn)的多島遺傳算法得到了不同頻率變化率指標(biāo)下，一組、兩組壓電致動(dòng)器/傳感器的尺寸、位置和控制

4、增益的最優(yōu)配置結(jié)果。
　　從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程出發(fā)，揭示了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、壓電致動(dòng)器主動(dòng)控制下空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的抑振軌跡規(guī)劃機(jī)理，提出了包含系統(tǒng)柔性部分激振力矩和剛性部分驅(qū)動(dòng)力矩的綜合指標(biāo)。并選擇激起柔性臂振動(dòng)較小的五次多項(xiàng)式樣條函數(shù)作為軌跡優(yōu)化的基礎(chǔ)曲線和插值曲線，利用改進(jìn)的多島遺傳算法對(duì)空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，得到了綜合指標(biāo)最小的最優(yōu)抑振軌跡。
　　引入奇異攝動(dòng)因子對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行分解，分別推導(dǎo)得到系統(tǒng)基于