混合驱动连杆机构系统动力学建模、优化与控制研究

摘要

随着科学技术的飞速发展和人类社会的不断进步，人们对现代机构的性能提出了越来越高的要求，尤其是要求机构能具有良好的柔性。混合驱动机构是一种具有良好柔性输出的新型机构，同时采用实时不可控电机(主电机)和实时可控电机(辅助电机)作为其动力源，两种类型的输入运动通过一个多自由度闭环机构合成后产生所需要的输出运动。它是现代机构学理论、传感器技术、微电子学、现代控制理论、计算机和信息科学以及人工智能等多学科交叉融合的产物，是现代机构学发展的重要方向之一。本文在传统机构学理论、现代动力学分析理论、现代控制理论、现代优化理论、统计分析和先进复合材料力学的基础上，以混合驱动五杆机构系统为例，对混合驱动连杆机构系统进行了系统研究。研究成果适用于其它类型混合驱动连杆机构系统。　　混合驱动连杆机构系统是一种多自由度、多构件的复杂机构，本文首次采用键合图法对混合驱动五杆机构进行了动力学分析。键合图法以简明的图形方式揭示了机构运动学及动力学特性，可使人们直观地理解组成机构不同类型的元件对机构动态性能的作用，提高了对机构内涵理解的洞察力。机构动力学方程具有规则化的特点，便于计算机自动生成，无需进行机构加速度分析。仿真结果表明，与传统的动力学分析方法相比，大大地提高了动力学分析的效率和可靠性。　　混合驱动连杆机构系统是一种高度非线性、强耦合的柔性可控机构，只有从系统的观点出发，才能揭示其自身的真实规律。本文首次提出了基于功率键合图和功率拓扑键图建立混合驱动五杆机构系统全局耦合动力学模型，用统一的方式处理多能域并存的混合驱动系统，以图形方式直观地揭示机构系统不同能域子系统间的相互作用关系，以及各杆件间的运动约束关系、作用力(力矩)间的相互作用关系。仿真结果表明所建立的系统全局动力学模型是正确有效的。与孤立研究各子系统相比，全局耦合动力学模型能更真实地描述系统动力学特性及各子系统之间的耦合带来的影响。 将现代混沌优化算法与MATLAB6.5程序语言的优化工具箱有机地结合，提出了机构非线性优化设计问题的混合优化算法，具有较好的全局搜索能力。在运动学和动力学分析的基础上，基于复合优化算法对混合驱动五杆机构的结构参数进行了运动学、动力学和多目标优化设计。优化结果表明，以运动学、动力学、机构构件尺度敏感性等为目标函数的多目标优化设计，可以使机构获得更佳的综合性能。混合驱动连杆机构属于位置控制随动系统，位置控制系统对保证混合驱动连杆机构输出精度起着关键性的作用。为此，设计了两种先进的高精度闭环控制系统。将灰色预测、重复控制与常规PID控制三者融合起来，首次提出了基于重复控制的高精度灰色预测PID位置控制系统。从仿真结果的分析可以看出，该控制方案不但提高了系统的跟踪精度，而且大大加强系统的鲁棒性，能获得较高的非线性实时控制性能，使系统具有输出误差小、实时性好、鲁棒性强的特点。对具有周期运动特点的混合驱动连杆机构具有很好的应用价值。另外，基于CMAC神经网络技术，设计了复合控制的位置控制系统。从仿真结果可以看出，该控制方法可以获得较高的非线性实时控制性能，较好地满足混合驱动系统的控制要求，使系统具有输出误差小、实时性好、鲁棒性强的特点。 鉴于三维编织复合材料的优良性能和发展前景，对二步法三维编织复合材料空心断面杆件的刚度特性和阻尼特性进行了分析。在此基础上，提出了杆件刚度优化和阻尼优化的数学模型，算例计算结果表明，在一定的约束条件下，通过优化设计，三维编织复合材料空心断面杆件可以获得良好的刚度特性和阻尼特性，对此类构件的设计和工程应用有一定的指导意义。 根据混合驱动五杆机构分析模型，建立了混合驱动连杆机构实验系统。然后，进行了相关的实验验证，实验结果与理论仿真结果比较相符，从而验证了本文理论研究的正确性。另外，还进行了六种不同材料构件(金属、高分子材料、复合材料)机构的性能对比实验，结果表明采用三维编织复合材料构件可以提高混合驱动连杆机构系统的运行平稳性和输出精度，系统动态性能得到了明显改善。采用三维编织复合材料构件是改善混合驱动连杆机构系统动态性能的有效方法，在混合驱动连杆机构设计时，使得材料选取的优化至关重要。 混合驱动连杆机构杆件的制造误差对系统输出存在着固有的影响。本文进行了混合驱动五杆机构构件尺度的敏感性分析，根据各构件尺寸误差对机构输出误差的影响情况，给出了各杆件公差的选择原则。为了揭示各输入运动参数对输出误差的影响，本文首次对混合驱动五杆机构输出实例误差与运动输入进行了相关性分析。从中得出各输入运动参数对输出误差影响程度，对混合驱动机构设计具有实际意义。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1引言

1.2混合驱动连杆机构概述

1.3混合驱动机构国内外研究现状

1.4含复合材料构件动力学研究现状

1.5本文的主要工作内容及其意义

1.5.1本文的主要工作内容

1.5.2课题意义

1.6本章小结

第二章混合驱动五杆机构动力学分析

2.1引言

2.2混合驱动连杆机构模型及其运动学分析

2.2.1混合驱动连杆机构模型描述

2.2.2混合驱动连杆机构运动学分析

2.2.3算例

2.3混合驱动机构动力学键合图模型的建立

2.3.1键合图简介

2.3.2多通口转换器MTF的作用

2.3.3键合图模型的建立

2.4混合驱动五杆机构动力学分析

2.4.1混合驱动五杆机构键合图模型

2.4.2混合驱动五杆机构动力学方程

2.4.3速度转换关系分析

2.4.4算例

2.5本章小结

第三章混合驱动五杆机构全局动力学建模

3.1引言

3.2混合驱动五杆机构系统分级

3.2.1系统分级

3.2.2子系统的功能描述和耦合功能框图

3.3各子系统键合图模型

3.3.1电动机的键合图模型

3.3.2平面连杆机构的键合图模型

3.3.3混合驱动五杆机构子系统的键合图模型

3.4混合驱动五杆机构系统全局动力学模型

3.4.1子系统模型集成

3.4.2混合驱动五杆机构系统键合图模型

3.4.3系统状态方程

3.4.4电机的控制

3.4.5系统状态方程的解法

3.5仿真与分析

3.6本章小结

第四章混合驱动五杆机构的优化设计

4.1引言

4.2混沌优化算法

4.2.1混沌的基本概念

4.2.2 Logistic模型及性质

4.2.3 MATLAB6.5优化工具箱

4.2.4基于混沌优化的混合优化算法

4.2.5关于混合优化算法收敛性说明

4.4混合驱动连杆机构优化设计

4.4.1运动学优化设计

4.4.2动力学优化设计

4.4.3多目标优化设计

4.4.4优化结果对比分析

4.5本章小结

第五章混合驱动控制系统的设计与研究

5.1引言

5.2控制系统类型选择

5.2.1位置伺服系统基本形式

5.2.2位置伺服系统选择

5.3控制系统组成与动态结构

5.4小脑神经网络控制系统的设计与研究

5.4.1 CMAC神经网络结构原理

5.4.2基于CMAC的控制器设计

5.4.3仿真分析

5.5重复控制补偿的灰色预测PID控制系统设计与研究

5.5.1灰色系统理论概述

5.5.2灰色预测控制模型

5.5.3重复控制

5.5.4重复控制补偿的灰色PID控制

5.5.5仿真分析

5.6本章小结

第六章三维编织复合材料构件特性研究

6.1引言

6.2三维编织复合材料的结构特点

6.3三维编织复合材料杆件的刚度

6.3.1应力-应变关系

6.3.2应变-位移关系

6.3.3杆件的刚度

6.3.4优化设计

6.3.5算例

6.4三维编织复合材料构件的阻尼预测

6.4.1阻尼单元模型

6.4.2三维编织复合材料杆件的阻尼容量计算

6.4.3梁的比阻尼容量

6.4.4优化设计

6.4.5算例

6.5本章小结

第七章混合驱动五杆机构实验

7.1引言

7.2实验系统

7.2.1实验系统结构和原理

7.2.2实验台三维造型及其实体

7.2.3硬件系统

7.2.4接口电路设计与PCB板制备

7.3抗干扰措施

7.3.1抗干扰措施概述

7.3.2混合驱动连杆机构干扰源分析

7.3.3抗干扰技术实现

7.4实验内容和结果

7.4.1实验设置

7.4.2混合驱动五杆机构动力学实验

7.4.3控制系统实验

7.4.4基于不同材料构件机构性能实验

7.5本章小结

第八章混合驱动五杆机构误差分析

8.1引言

8.2机构敏感性分析

8.2.1混合驱动五杆机构敏感度分析

8.2.2公差的确定

8.3实例数据误差的统计学分析

8.3.1统计学软件SPSS简介

8.3.2误差直方图

8.3.3系统误差判定

8.3.4粗大误差剔除

8.3.5系统误差判别

8.4系统误差相关性分析

8.5本章小结

第九章全文总结及展望

9.1全文总结

9.2本文的创新之处

9.3展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文