飘浮基两杆柔性空间机械臂的振动分析与振动抑制

对载体位置无控、姿态受控的飘浮基两杆柔性空间机械臂操作过程中的振动进行了分析,并提出了对振动进行有效抑制的方法。首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到系统的动力学方程。然后对该系统操作过程中的振动进行了分析。接着利用奇异摄动法,将两杆柔性空间机械臂系统分解为一个关于载体姿态、杆件关节轨迹跟踪的慢变子系统和一个描述柔性臂变形的快变子系统。以此为基础,提出了一个由慢变控制项和一个快变控制项组成的复合控制器,使得机械臂在操作过程中跟踪上载体姿态和关节期望轨迹的同时柔性臂的振动得到了有效的抑制。该控制方案的显著优点为不需要测量反馈载体的位置、移动速度、移动加速度。     

基座弹性影响下空间站柔性关节机械臂的鲁棒自适应滑模控制及双重弹性振动主动抑制

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置、姿态均不控的空间站柔性关节机械臂系统控制问题。利用拉格朗日方法结合动量守恒定律,建立了弹性基座空间站柔性关节机械臂系统动力学方程。以此为基础,依据级联控制法,将系统分解为弹性基座刚性臂子系统和关节柔性电机转子子系统。对于弹性基座刚性臂子系统,为了主动抑制弹性基座柔性振动,运用虚拟力的概念,构造同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制方案,提出基于虚拟力概念的鲁棒自适应滑模控制器控制策略,由于运用了虚拟力的概念,从而仅通过设计一个控制输入便可同时保证刚性轨迹跟踪并对载体基座的弹性振动进行主动抑制,更适应于空间站柔性关节机械臂系统的实际应用。同时,针对系统参数未知的情况,利用级联控制方法能够有效地抑制柔性关节的振动。理论分析及仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

基于PSO优化算法的空间机械臂振动抑制研究

针对空间柔性机械臂的末端残余振动抑制问题,提出了一种基于逆运动学分析和粒子群优化算法的柔性机械臂笛卡尔空间轨迹规划和振动抑制的新方法。采用自然坐标法和绝对节点坐标法分别对柔性关节、柔性臂杆进行动力学建模,最终得到全面考虑柔性特性的柔性机械臂动力学模型;针对机械臂末端笛卡尔空间"点到点"和"静止到静止"的规划运动,采用五次多项式函数对末端轨迹进行离散规划,并通过逆运动学理论分析求解得到含冗余参数的关节空间电机转动轨迹;采用粒子群优化算法(PSO),将满足机械臂末端振动最小化的轨迹规划问题转换为待定冗余参数的优化问题,并迭代优化求解该参数;最后以三自由度柔性机械臂开展仿真研究。仿真结果表明,提出的规划方法具有很高的收敛速度,节约了计算时间;能够实现预定的机械臂轨迹规划;对机械臂末端点的残余振动能够进行有效地抑制。     

单连杆柔性臂模糊控制

以单连杆柔性臂为例,提出了模糊控制与最优控制相结合的混合控制方法。首先,采用奇异摄动将系统分为慢变和快变两个子系统。然后,对慢变子系统采用模糊控制,快变子系统采用最优控制。仿真结果表明,该方法不仅能实现柔性臂轨迹的快速、准确跟踪,有效地抑制弹性振动,并且对负载的变化具有强的鲁棒性。     

漂浮基柔性臂空间机器人输出力矩受限的自适应PID输出反馈

针对输出力矩受限的漂浮基柔性臂空间机器人的控制问题,结合系统动量守恒关系和拉格朗日方法建立了系统动力学模型;利用奇异摄动法,慢变子系统设计了输出力矩受限情况下仅有位置传感、建模不确定性及干扰的空间机械臂系统协调运动的自适应PID输出反馈控制算法,快变子系统设计了线性二次最优控制方法主动抑制。该算法采用高精度滤波器估计机器人关节速度,使得整个系统的闭环控制仅需位置输出反馈;在控制率中引入饱和函数,保证输出力矩在给定限制范围内,同时采用自适应PID控制器补偿建模不确定性和干扰。基于Lyapunov稳定性理论证明了该算法可确保控制系统是渐近稳定的,针对平面两关节漂浮基柔性臂空间机器人的仿真结果表明了所提出的控制方案良好的跟踪性和快速收敛性。     

基座弹性的双柔杆空间机器人的神经网络动态面控制

针对基座弹性的双柔杆漂浮基空间机器人系统存在外部干扰时的轨迹跟踪及柔性抑振问题,推导了系统的动力学模型,应用奇异摄动理论,将系统分解为表示刚性运动的慢变子系统和表示基座弹性、双柔杆振动的快变子系统。对于慢变子系统,设计了一种基于动态面的神经网络控制器,通过动态面的应用避免反步法带来的计算膨胀问题;通过RBF神经网络逼近了含有外部干扰在内的动力学不确定项;针对快变子系统,采用线性二次型最优控制同时抑制弹性基座与双柔杆的振动。数值仿真验证了控制方法的有效性。     

基于混合规划策略的自由漂浮冗余机械臂减振运动规划(英文)

对自由漂浮柔性冗余机械臂系统的减振运动规划问题进行研究。首先,采用拉格朗日方法建立系统的动力学模型,并给出了减振运动规划的模型。其次,提出一种基于高斯伪谱法与直接打靶法的混合规划策略,用于求解运动规划问题。先利用高斯伪谱法将运动规划问题转化为一个非线性参数优化问题,并用遗传算法确定近似解,随后利用直接打靶法建立优化模型,将得到的近似解作为优化变量的初值,并采用序列二次规划算法求得精确解。最后,对算例进行分析,验证了基于混合规划策略得到的关节运动轨迹能够明显减小柔性臂杆的全局振动以及残余振动。数值计算的结果表明该方法对减振运动规划问题的求解是有效且稳定的。     

平面柔性欠驱动机械臂的非线性动力学分析

研究了平面柔性欠驱动机械臂中被动关节对系统动态特性的影响 ,在动力学分析的基础上 ,提出了一种基于内共振原理的柔性欠驱动机械臂振动控制方法。在对系统的稳态周期运动进行分析研究的基础上 ,发现处于自由摆动状态的被动关节的平衡位置随系统结构的振动而发生漂移 ,并且被动关节平衡位置的漂移速度和方向与周期输入的振幅有关。提出利用结构柔性产生的振动实现被动关节位置控制的方法 ,通过平面二连杆柔性欠驱动机械臂进行了仿真计算     

柔性臂空间机器人的一类运动学方程及轨迹规划

用柔性机械臂连杆末端的弹性变形以及变形角度来表示空间机器人柔性臂的弹性运动变量,克服了用无穷维振动模态变量来表示弹性变形给系统运动学建模带来的困难;基于广义雅可比矩阵的思想,建立了柔性臂空间机器人"双广义雅可比矩阵"形式的运动学模型,该运动学模型描述了柔性臂弹性变形对空间机器人的运动影响;以运动学方程为基础,设计了柔性臂空间机器人的惯性空间内连续轨迹规划算法。仿真表明,规划的机械臂关节运动规律可以补偿柔性连杆振动给机械臂末端位置带来的影响,使机械臂末端位置准确沿着期望的轨迹运动。     

广义奇异摄动降阶方法在控制器降阶中的应用

 首先推导了广义奇异摄动降阶和奇异摄动降阶的 Schur方法,解决了均衡变换可能出现病态的问题,并且算法具有较好的鲁棒性。然后,将其应用于控制器降阶,并同其它方法比较,认为原系统带宽附近的控制器降阶误差对降阶效果影响较大,而广义奇异摄动降阶法通过参数α的选择,能取得较好的降阶效果。可供工程设计参考。     

漂浮基柔性两杆空间机械臂的全局鲁棒Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控并具有有界外部扰动的飘浮基柔性两杆空间机械臂振动不主动抑制的全局鲁棒Terminal滑模控制。首先选择合理的联体坐标系,利用拉格朗日方程并结合动量守恒原理得到系统的动力学方程。根据Terminal滑模控制技术,给出了系统的Terminal滑模面,进而提出了系统的Terminal滑模运动控制算法。然后分析了该Terminal滑模控制器控制下系统中的两柔性杆的振动,并对两柔性杆的振动进行了数值仿真。该Terminal滑模控制律消除了惯常滑模控制的到达阶段,从而具有全局鲁棒性与稳定性;同时还保证了输出误差在任意指定有限时间内收敛到零。系统的数值仿真表明该Terminal滑模控制器能够使机械臂关节轨迹快速而稳定地追踪上期望运动轨迹,而系统中两柔性杆件始终存在比较大的柔性振动。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,减少了系统的设计、制造、发射、维护费用,提高了系统的可靠性。     

基于时标分解的弹性高超声速飞行器智能控制

考虑弹性高超声速飞行器纵向动力学模型，提出了一种基于时标分解的智能控制方法。考虑刚体状态和弹性模态具有不同的时标特性，采用奇异摄动理论进行快慢时标分解，将模型转换为刚体慢变子系统和弹性快变子系统。针对刚体子系统考虑动力学不确定，基于平行估计模型构造表征不确定逼近效果的预测误差，结合跟踪误差给出复合学习控制策略。针对弹性子系统设计自适应滑模控制稳定弹性模态。通过李雅普诺夫稳定性分析可证系统状态一致终值有界。仿真表明所提出的控制方法能够实现刚弹模态的稳定收敛，且具有更高的跟踪精度、更好的学习性能和更快的收敛速度。     

空间大型机械臂系统载运轨迹优化方法

针对在搬运及组装数十吨级负载过程中,空间站用大型机械臂会对空间站载体姿态产生扰动的问题,提出了一种笛卡尔轨迹参数化方法。利用基于广义雅克比矩阵（GJM）的分解运动速度控制和优化算法来实现基座姿态扰动控制,建立了反映载体姿态变化的目标函数。基于关节运动范围及避免动力学奇异等约束,采用粒子群（PSO）算法进行目标函数的优化,有效降低了空间大型机械臂系统在搬运重型负载过程中对载体姿态的影响。仿真结果验证了算法的有效性。     

欠驱动机器人的动力学耦合奇异研究

欠驱动机械臂的运动只能从动力学水平进行控制,从动关节的运动是通过主动关节的动力学耦合间接控制的。主、被动关节之间的动力学耦合特征与机械臂关节空间的位形有关,因此在欠驱动机械臂运动过程中可能发生动力学耦合奇异,某些被动关节的运动变得不可控。从关节空间和操作空间两个角度分析了欠驱动机械臂的动力学耦合问题,给出从以上两种工作空间度量系统动力学耦合的指标。提出一种基于输入变量非线性变换的滑模变结构控制方法,用于实现欠驱动机械臂操作空间中的连续轨迹控制。通过平面二连杆欠驱动机械臂和只有一个主动关节的平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果证明提出的控制方法是可行的。     

融合柔性基础传递函数的转子系统建模方法及验证

航空发动机、火箭涡轮泵等现代高端涡轮机械对性能有着极致的需求,其轻柔化的支承结构导致转子与柔性基础振动耦合特性明显,必须将其柔性支承结构纳入整体动力学分析之中。然而,柔性基础的高精度建模过程需要耗费大量时间,同时简化的基础模型也难以表达其真实的动力学特性。为此,提出了融合柔性基础传递函数的转子系统动力学建模仿真方法：将实测得到的柔性基础传递函数通过状态子空间法拟合获得低维时域和频域表征的数学模型,通过支承力模型将柔性基础模型耦合到转子有限元模型之中,最终形成基于实物传递函数的混合转子动力学模型。同时,提出了柔性基础从稳态到瞬态的模型转换策略,并采用线性-非线性节点（显-隐）分离的快速瞬态数值积分方法进行求解。基于所提模型和计算方法,开展了柔性基础-转子系统的稳态、瞬态动力学数值仿真,以及稳定转速扫频激励和降速不平衡激励的振动测试试验,结果表明：实测的柔性基础振动特性,能够有效地体现在整机动力学分析之中,且考虑柔性基础特性的转子动力学模型所预测的瞬态动力学响应与试验结果更为吻合。所提方法为含复杂柔性基础的转子系统提供了行之有效的整机建模及瞬态仿真方法。     

柔性杆系统压电扭转致动器/传感器优化配置研究

 针对空间柔性杆系统的扭转振动问题,提出了一类由柔性杆、电阻应变片传感器、压电扭转致动器组成的柔性杆系统。为了研究此系统的扭转振动,运用拉格朗日方程和假设模态法建立了系统的动力学方程。针对柔性杆系统中压电扭转致动器、传感器的优化配置问题,提出一种基于最小输入能量、最大能量传递、Grammian矩阵最小奇异值最大化的复合优化策略,采用遗传算法对致动器/传感器的位置进行了搜索,找到了最优位置位于柔性杆的根部。进行了数值分析研究,结果表明,与其他位置相比,最优位置最有利于致动器实施控制,同时也最有利于传感器的观测。     

三支点柔性转子系统支承不同心激励特征及振动响应分析

针对航空发动机三支点柔性转子系统的支承不同心问题,充分考虑转子结构特征和载荷特征,首次将当量刚度引入多支点柔性转子不同心问题的动力学分析,定量描述转子系统各支承间不同心度带来的转子轴段刚度非线性,并提出了多跨度柔性转子系统支承不同心激励的数学描述,建立了不同心激励下多跨度柔性转子系统的力学模型。基于Lagrange能量法,给出了转子系统动力学方程的求解方法,研究得到了支承不同心转子系统的动力响应特征。结果表明:支承不同心不仅引起转子过渡轴的刚度非线性,产生2倍频激励,还会给转子系统带来附加不平衡激励;对于三支点柔性转子系统而言,2倍频分量同样是支承不同心下转子系统振动响应的典型特征之一。转子系统2倍频分量随不同心量的增加而迅速增加,而1倍频分量基本保持不变。同时转子振动响应呈现"缓增速降"趋势,且随非线性刚度、不平衡量的增大愈加明显。     

基于摩擦补偿的空间机械臂关节高精度控制研究

空间机械臂关节具有大惯量、高精度的特点,针对空间机械臂关节低速、高精度控制要求,提出一种基于摩擦补偿的双位置闭环控制策略。建立了考虑摩擦和惯量变化等因素的一体化关节动力学模型,分析了全位置闭环系统的稳定性,在此基础上提出了一种基于双位置传感器信息的闭环伺服控制策略,并引入自适应率辨识未知摩擦和惯量变化,利用Lyapunov函数证明闭环系统的稳定性和跟踪误差的渐进收敛性。在测试平台上的试验结果表明,提出的空间机械臂一体化关节伺服控制策略能够有效地提高关节伺服控制精度和系统鲁棒性。     

基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划

为了使太空机械臂在关节锁定故障后仍能继续完成后续任务,提出一种基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划方法。基于牛顿-拉夫逊法计算太空机械臂关节人为限位,完成满足任务需求的退化工作空间求解,通过构造姿态可达度指标,在退化工作空间的基础上建立故障机械臂基坐标系下的位姿可达空间。通过在代价函数中增加最小奇异值代价项改进传统A^*算法,基于改进A^*算法在所建立的位姿可达空间内完成太空机械臂容错路径规划。所提方法综合了位姿可达空间与改进A^*算法各自的优势,实现了关节锁定故障太空机械臂同时满足避奇异与位姿可达要求的轨迹搜索。通过建立7自由度太空机械臂运动学模型开展数值仿真研究,仿真结果验证了所提容错路径规划方法的有效性。     

航空发动机μ控制器设计及降阶方法研究

涡扇发动机的多变量控制是目前的研究热点。为了研究鲁棒镇定发动机的结构化摄动和非结构化摄动对系统稳定性影响,采用结构奇异值理论分析方法,通过设置合理的加权函数,设计性能最优的μ控制器。采用内部平衡截项法、残化法和Hankel-范数近似法等对控制器模型降级处理,通过分析奇异值与范数误差,选取合适的降级方法,以保证降阶后系统能够稳定工作。仿真结果表明,所设计的控制器能够使系统稳定工作,系统能鲁棒镇定结构化摄动和非结构化摄动,且具有良好的控制品质,且控制器降阶后对系统基本没有影响。