雙連桿柔性機(jī)械臂的主動(dòng)控制研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，柔性構(gòu)件在工程機(jī)構(gòu)中大量使用。另外，機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度加快，運(yùn)行精度的要求也越來越高，由此構(gòu)成所謂的柔性多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)或剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)系統(tǒng)，柔性機(jī)械臂是這類系統(tǒng)的典型代表之一。柔性機(jī)械臂在作大范圍剛體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也將產(chǎn)生自身的小變形彈性振動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)相互耦合和相互影響，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為較為復(fù)雜，具有強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變等特點(diǎn)。對(duì)于單桿柔性機(jī)械臂，系統(tǒng)中只存在單一的剛?cè)狁詈?，即系統(tǒng)大范圍運(yùn)動(dòng)與柔性手臂彈性振動(dòng)之間的耦合，

2、動(dòng)力學(xué)建模與控制相對(duì)來講較為容易。而對(duì)于多桿柔性機(jī)械臂，系統(tǒng)中不但存在剛?cè)狁詈希€存在各個(gè)柔性桿件彈性振動(dòng)之間的柔柔耦合，動(dòng)力學(xué)建模與控制難度較大。因?yàn)槿嵝詸C(jī)械臂在航空航天、機(jī)器人等許多高科技領(lǐng)域有著強(qiáng)烈的工程應(yīng)用背景，因此對(duì)其動(dòng)力學(xué)建模與控制的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 另一方面，壓電材料由于具有良好的機(jī)電耦合特性，既可以作為傳感器，也可以作為作動(dòng)器，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。壓電作動(dòng)器通過粘貼或填埋方

3、式與結(jié)構(gòu)結(jié)為一體，因此非常適用于存在大范圍運(yùn)動(dòng)的柔性構(gòu)件的振動(dòng)抑制。 本文在國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：10772112，10472065）、教育部重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：107043）、教育部博士點(diǎn)基金（編號(hào)：20070248032）和上海市教委科研重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：09ZZ17）的資助下，開展壓電雙桿柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)建模與主動(dòng)控制的研究，主要內(nèi)容和成果總結(jié)如下： (1)在大量閱讀文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，較為全面地綜述了柔性機(jī)械臂的研究進(jìn)展

4、。 (2)研究了壓電雙桿柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)建模問題，并且進(jìn)行了系統(tǒng)大范圍已知和未知兩種情況下的動(dòng)力學(xué)仿真，通過仿真揭示對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制的必要性。該部分的工作是為后續(xù)主動(dòng)控制的設(shè)計(jì)提供模型保證。 (3)研究了雙桿柔性機(jī)械臂的線性最優(yōu)控制問題。研究中，只采用兩個(gè)桿件關(guān)節(jié)扭矩進(jìn)行系統(tǒng)的位置主動(dòng)控制，不采用壓電作動(dòng)器。研究結(jié)果表明：關(guān)節(jié)扭矩控制律能夠使得系統(tǒng)到達(dá)指定位置，并可抑制柔性桿件的彈性振動(dòng)，但是在系統(tǒng)到達(dá)指定位置

5、的時(shí)間指標(biāo)上效果欠佳。 (4)研究了壓電柔性雙桿機(jī)械臂的非線性控制問題，進(jìn)行了壓電控制律和關(guān)節(jié)扭矩控制律的綜合設(shè)計(jì)。關(guān)節(jié)扭矩用于保證系統(tǒng)的大范圍剛體運(yùn)動(dòng)，壓電作動(dòng)器用于控制柔性桿件的彈性變形，綜合設(shè)計(jì)這兩個(gè)控制律，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軌跡跟蹤與振動(dòng)控制。研究結(jié)果表明：非線性控制方法不但可以使得系統(tǒng)跟蹤預(yù)期的理想軌跡，柔性桿件的彈性振動(dòng)可以同時(shí)得到抑制，而且在到達(dá)時(shí)間指標(biāo)上具有良好性能。 (5)考慮到PD控制方法在實(shí)際工程中的大量

6、使用，研究了壓電柔性雙桿機(jī)械臂的模糊PD控制問題。研究中，使用模糊控制器對(duì)PD控制的控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，形成專家模糊PD控制器，并且與常規(guī)PD控制方法的效果進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果表明：在PD控制的增益參數(shù)取值較好時(shí)，常規(guī)PD控制方法與模糊PD控制方法皆可以取得良好的控制效果，但是模糊PD控制方法的控制代價(jià)小于常規(guī)PD控制方法；當(dāng)PD控制增益參數(shù)取值不理想時(shí)，常規(guī)PD控制方法的控制效果較差，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)發(fā)散，而模糊PD控制方