雙連桿柔性機械臂的主動控制研究.pdf

1、隨著科學技術的發(fā)展，柔性構件在工程機構中大量使用。另外，機構運行速度加快，運行精度的要求也越來越高，由此構成所謂的柔性多體動力學系統或剛柔耦合動力學系統，柔性機械臂是這類系統的典型代表之一。柔性機械臂在作大范圍剛體運動的同時，也將產生自身的小變形彈性振動，這兩種運動相互耦合和相互影響，系統的動力學行為較為復雜，具有強非線性、強耦合、時變等特點。對于單桿柔性機械臂，系統中只存在單一的剛柔耦合，即系統大范圍運動與柔性手臂彈性振動之間的耦合，

2、動力學建模與控制相對來講較為容易。而對于多桿柔性機械臂，系統中不但存在剛柔耦合，還存在各個柔性桿件彈性振動之間的柔柔耦合，動力學建模與控制難度較大。因為柔性機械臂在航空航天、機器人等許多高科技領域有著強烈的工程應用背景，因此對其動力學建模與控制的研究具有重要的理論意義和實際應用價值。 另一方面，壓電材料由于具有良好的機電耦合特性，既可以作為傳感器，也可以作為作動器，在結構振動主動控制領域得到了廣泛應用。壓電作動器通過粘貼或填埋方

3、式與結構結為一體，因此非常適用于存在大范圍運動的柔性構件的振動抑制。 本文在國家自然科學基金（編號：10772112，10472065）、教育部重點項目（編號：107043）、教育部博士點基金（編號：20070248032）和上海市教委科研重點項目（編號：09ZZ17）的資助下，開展壓電雙桿柔性機械臂的動力學建模與主動控制的研究，主要內容和成果總結如下： (1)在大量閱讀文獻的基礎上，較為全面地綜述了柔性機械臂的研究進展

4、。 (2)研究了壓電雙桿柔性機械臂的動力學建模問題，并且進行了系統大范圍已知和未知兩種情況下的動力學仿真，通過仿真揭示對機械臂系統進行主動控制的必要性。該部分的工作是為后續(xù)主動控制的設計提供模型保證。 (3)研究了雙桿柔性機械臂的線性最優(yōu)控制問題。研究中，只采用兩個桿件關節(jié)扭矩進行系統的位置主動控制，不采用壓電作動器。研究結果表明：關節(jié)扭矩控制律能夠使得系統到達指定位置，并可抑制柔性桿件的彈性振動，但是在系統到達指定位置

5、的時間指標上效果欠佳。 (4)研究了壓電柔性雙桿機械臂的非線性控制問題，進行了壓電控制律和關節(jié)扭矩控制律的綜合設計。關節(jié)扭矩用于保證系統的大范圍剛體運動，壓電作動器用于控制柔性桿件的彈性變形，綜合設計這兩個控制律，以實現系統的軌跡跟蹤與振動控制。研究結果表明：非線性控制方法不但可以使得系統跟蹤預期的理想軌跡，柔性桿件的彈性振動可以同時得到抑制，而且在到達時間指標上具有良好性能。 (5)考慮到PD控制方法在實際工程中的大量

6、使用，研究了壓電柔性雙桿機械臂的模糊PD控制問題。研究中，使用模糊控制器對PD控制的控制參數進行在線調整，形成專家模糊PD控制器，并且與常規(guī)PD控制方法的效果進行了對比研究。研究結果表明：在PD控制的增益參數取值較好時，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小于常規(guī)PD控制方法；當PD控制增益參數取值不理想時，常規(guī)PD控制方法的控制效果較差，有可能導致系統響應出現發(fā)散，而模糊PD控制方