基于阻尼可控和振动抑制的柔性臂系统末端跟踪控制之机械研究

本文是一篇机械论文，本文研究连杆柔性的机械臂系统末端轨迹跟踪和振动抑制的问题。通过两种方法来解决这个问题，即通过改进柔性臂系统驱动器控制算法，和在柔性臂系统中增加可控阻尼直接进行振动抑制。

第1章绪论

1.1课题研究背景和意义
1.1.1柔性臂系统
随着中国智能制造2025战略提出和推进，制造领域和机器人领域对运动精度提出了更高的要求。而在工业应用、机器人、消防安全和航空航天等领域中，具有轻质狭长柔性结构的系统普遍存在。
在工业应用中，常用的操作设备如图U中的三坐标机械臂和SCARA机器臂，其操作臂的连杆都会有一定的柔性。这些设备在高速运动时，其连杆末端会产生振动，从而影响末端位姿的准确性。

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1.2国内外研究现状
柔性臂系统因连杆刚度降低，在高速运动时会产生振动的情况。如何有效地减轻振动，是柔性臂系统运动控制的核心问题。对柔性臂系统进行振动抑制的方法，主要可以从三个方面来考虑：运动轨迹规划、驱动器抑振控制算法设计和增加抑制振动的作动器。轨迹规划和驱动器控制算法设计都是不改变硬件设备，通过软件算法来改善系统整体的运动性能。而增加作动器来抑制振动，是对振动抑制最为直观的方法。
对柔性臂系统的运动控制算法设计，无论是否使用抑振作动器都离不开系统的模型。但是对于柔性连杆的建模问題，目前没有特别筒洁的处理方法，需要在计算精度和计算复杂度上进行取舍。对柔性连杆的复杂摸型进行简化，应用到运动控制算法设计当中。在实际柔性臂实验平台上实施运动控制算法，还需要对整体系统进行辨识，以得到较为准确的系统参数用来进行控制。在实施控制算法时，状态的测量根据系统设计的不同会略有差异，对于柔性臂系统需要特别注意的就是柔性臂连杆振动的检测方法。因而，柔性臂系统研究涉及以下几个方面：建模方法，辨识方法，控制方法，振动检测方法和抑制振动作动器等。接下来，本文将分别对这几个方面的研究现状进行介绍。
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第2章柔性臂系统动力学建模和运动特性分析

2.1柔性臂系统建模
为了更加清楚的了解柔性臂系统的特性，对其进行数学建模就显得十分重要。柔性臂系统可以分为两大部分：柔性连杆部分和驱动电机部分。为此，首先将细长柔性臂连杆假设为欧拉－伯努利梁，采用假设模态法来逼近真实的振动情况。
2.1.1悬臂梁连杆的振动描述
对于一般的悬臂梁，其一端固定，另一端自由的情况下，其受力状况如图2.1所示。

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2.2柔性臂系统运动特性分析
2.2.1实验台运动特性分析

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第3章柔性臂系统辨识..............31
3.1柔性臂连杆的频域辨识............31
3.2柔性臂系统的最小二乘辨识...............33
第4章基端驱动柔性臂系统的自适应鲁棒控制..........42
4.1柔性臂系统控制算法设计难点与整体框架..........42
4.1.1难点分析...........42
4.1.2控制框架...............42
第5章阻尼可控与基端驱动联合的柔性臂系统的末端轨迹跟踪控制............57
5.1可控阻尼与直线电机联合驱动柔性臂系统设计方案................57
5.2联合躯动柔性臂系统建模................58

第5章阻尼可控与基端驱动联合的柔性臂系统的末端轨迹跟踪控制

5.1可控阻尼与直线电机联合驱动柔性臂系统设计方案
对于柔性臂系统连杆的振动还可以通过使用抑振作动器来抑制。本章将在直线电机驱动的柔性悬臂梁上增加磁流变阻尼器进一步抑制柔性臂连杆的振动，并通过在梁上布置压电传感器来检测梁的振动，研究阻尼可控和基端驱动联合的柔性臂系统的末端轨迹跟踪控制方法。磁流变阻尼器是一种输出阻尼可控的阻尼器，阻尼器的安放位置参考压电抑振作动器的安放，安置在柔性臂的根部。整个柔性臂系统实验平台组成如图5.1所示。

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第6章总结与展望

6.1总结
柔性臂系统因其运动速度快能耗少的优点，在工业生产和航空航天等领域应用广泛。本文研究了基于阻尼可控与振动抑制的柔性臂系统末端轨迹跟踪问题。本文具体完成的内容包括以下几个方面：
1.柔性臂系统动力学模型建立
通过考虑旋转直流电机驱动系统的动态方程和柔性连杆振动的高阶模态截断误差，并结合扩展汉米尔顿法和假设模态法，建立了旋转电机驱动柔性臂系统的整体动力学模型。
2.柔性臂系统模型参数辨识
对柔性臂系统分别使用频域辨识、最小二乘辨识、子空间辨识和补偿模型误差的子空间辨识四种方法进行辨识。通过对比辨识效果得出，在辨识系统中考虑库伦摩擦和常值误差可以减小辨识模型的误差。同时基于独立未知参数的最小二乘辨识得到的柔性臂系统模型最为接近实际系统。
3.基端驱动柔性臂的自适应鲁棒控制末端轨迹跟踪算法设计
针对单纯使用控制算法进行柔性臂系统末端轨迹跟踪控制的情况，提出了基端驱动柔性臂系统的自适应鲁棒控制末端轨迹跟踪算法。通过在线自适应模型补偿来抑制模型参数不确定；采用鲁棒反馈控制来抑制干扰影响，保证大幅度轨迹跟踪的准确性；采用振动反馈控制来抑制末端小幅振动影响。通过实际实验验证了所提控制算法的效果，同时对比了传统控制算法PID和LQR对柔性臂系统的控制效果。实验结果表明提出的控制算法，在保证运动精度前提下可以同时减小振动。
参考文献（略）